Диелектрици и њихова својства, поларизација и пробојна чврстоћа диелектрика

Супстанце (тела) са занемарљивом електричном проводљивошћу називају се диелектрици или изолатори.

Диелектрици или непроводници представљају велику класу супстанци које се користе у електротехници које су важне за практичне сврхе. Служе за изолацију електричних кола, као и за давање посебних својстава електричним уређајима, која омогућавају потпуније коришћење запремине и тежине материјала од којих су направљени.

Диелектрици могу бити супстанце у свим агрегатним стањима: гасовитом, течном и чврстом. У пракси се као гасовити диелектрици користе ваздух, угљен-диоксид, водоник и у нормалном и у компримованом стању.

Сви ови гасови имају скоро бесконачан отпор. Електрична својства гасова су изотропна. Од течних материја, хемијски чисте воде, многих органских материја, природних и вештачких уља (трансформаторско уље, сова итд.).

Течни диелектрици такође имају изотропна својства.Високи изолациони квалитети ових супстанци зависе од њихове чистоће.

На пример, изолациона својства трансформаторског уља се смањују када се влага апсорбује из ваздуха. У пракси се највише користе чврсти диелектрици. Укључују супстанце неорганског (порцулан, кварц, мермер, лискун, стакло итд.) и органског (папир, ћилибар, гума, разне вештачке органске материје) порекла.

Већина ових супстанци има високе електричне и механичке особине и користе се за изолацију електричних уређајанамењен за унутрашњу и спољашњу употребу.

Бројне супстанце задржавају своја висока изолациона својства не само на нормалним већ и на повишеним температурама (силицијум, кварц, једињења силицијум и силицијум). Чврсти и течни диелектрици имају одређену количину слободних електрона, због чега је отпор доброг диелектрика око 1015 - 1016 ома к м.

Под одређеним условима, у диелектрицима долази до раздвајања молекула на јоне (на пример, под утицајем високе температуре или у јаком пољу), у овом случају диелектрици губе своја изолациона својства и постају возачи.

Диелектрици имају својство да су поларизовани и у њима је могуће дугорочно постојање. електростатичко поље.

Посебност свих диелектрика није само висока отпорност на пролазак електричне струје, одређена присуством малог броја у њима. електрона, слободно кретање кроз целу запремину диелектрика, али и промена њихових својстава под дејством електричног поља, што се назива поларизација. Поларизација има велики утицај на електрично поље у диелектрику.

Један од главних примера употребе диелектрика у електричној пракси је изолација елемената електричних уређаја од земље и један од другог, због чега уништавање изолације ремети нормалан рад електричних инсталација и доводи до хаварија.
Да би се ово избегло, у пројектовању електричних машина и инсталација, изолација појединих елемената се бира тако да, с једне стране, јачина поља у диелектрицима нигде не прелази њихову диелектричну чврстоћу, а са друге стране, ова изолација у појединачним прикључцима уређаја користи се што је могуће потпуније (без вишка залиха).
Да бисте то урадили, прво морате знати како је електрично поље распоређено у уређају, а затим одабиром одговарајућих материјала и њихове дебљине, наведени проблем се може решити на задовољавајући начин.

Диелектрична поларизација

Ако је електрично поље створено у вакууму, онда величина и правац вектора јачине поља у датој тачки зависе само од величине и локације наелектрисања које ствара поље. Ако је поље створено у било ком диелектрику, онда се у молекулима овог другог дешавају физички процеси који утичу на електрично поље.

Под дејством сила електричног поља, електрони у орбитама се померају у правцу супротном од поља. Као резултат тога, претходно неутрални молекули постају диполи са једнаким наелектрисањем на језгру и електронима у орбити. Ова појава се зове диелектрична поларизација... Када поље нестане, нестаје и померање. Молекули поново постају електрично неутрални.

Поларизовани молекули - диполи стварају сопствено електрично поље чији је правац супротан смеру главног (спољног) поља, па га додатно поље, комбинујући се са главним, слаби.

Што је диелектрик поларизованији, резултујуће поље је слабије, то је његов интензитет у било којој тачки мањи за иста наелектрисања која стварају главно поље, па је стога диелектрична константа таквог диелектрика већа.

Ако је диелектрик у наизменичном електричном пољу, померање електрона такође постаје наизменично. Овај процес доводи до повећања кретања честица и самим тим до загревања диелектрика.

Што се електрично поље чешће мења, диелектрик се више загрева. У пракси се ова појава користи за загревање влажних материјала да би се осушили или за добијање хемијских реакција које се дешавају на повишеним температурама.

Прочитајте такође: Шта је диелектрични губитак због онога што се дешава

Поларни и неполарни диелектрици

Иако диелектрици практично не проводе електричну енергију, ипак, под утицајем електричног поља, мењају своја својства. У зависности од структуре молекула и природе утицаја електричног поља на њих, диелектрици се деле на два типа: неполарни и поларни (са електронском и оријентацијском поларизацијом).

У неполарним диелектрицима, ако не у електричном пољу, електрони се окрећу по орбитама са центром који се поклапа са центром језгра. Стога се деловање ових електрона може посматрати као дејство негативних наелектрисања смештених у центру језгра.Пошто су центри деловања позитивно наелектрисаних честица — протона — концентрисани у центру језгра, у свемиру се атом доживљава као електрично неутралан.

Када се ове супстанце уведу у електростатичко поље, електрони се померају под утицајем сила поља, а центри деловања електрона и протона се не поклапају. У свемиру, атом се у овом случају доживљава као дипол, односно као систем два једнака различита тачкаста наелектрисања -к и + к, који се налазе један од другог на одређеној малој удаљености а, једнакој померању центар електронске орбите у односу на центар језгра.

У таквом систему се испоставља да је позитивно наелектрисање померено у правцу јачине поља, а негативно у супротном смеру. Што је већа јачина спољашњег поља, веће је релативно померање наелектрисања у сваком молекулу.

Када поље нестане, електрони се враћају у своја првобитна стања кретања у односу на атомско језгро и диелектрик поново постаје неутралан. Наведена промена својстава диелектрика под утицајем поља назива се електронска поларизација.

У поларним диелектрицима, молекули су диполи. Налазећи се у хаотичном топлотном кретању, диполни момент све време мења свој положај.То доводи до компензације поља дипола појединих молекула и до тога да ван диелектрика, када нема спољашњег поља, нема ни макроскопског поља. поље.

Када су ове супстанце изложене спољашњем електростатичком пољу, диполи ће се ротирати и поставити своје осе дуж поља. Овај потпуно уређени аранжман ће бити ометен топлотним кретањем.

При малој јачини поља јавља се само ротација дипола под одређеним углом у правцу поља, што је одређено равнотежом између дејства електричног поља и ефекта топлотног кретања.

Како се јачина поља повећава, повећава се ротација молекула и, сходно томе, степен поларизације. У таквим случајевима, растојање а између диполних наелектрисања одређује се просечном вредношћу пројекција оса дипола на смер јачине поља. Поред ове врсте поларизације, која се назива оријентациона, у овим диелектрицима постоји и електронска поларизација изазвана померањем наелектрисања.

Горе описани обрасци поларизације су основни за све изолационе супстанце: гасовите, течне и чврсте. У течним и чврстим диелектрицима, где су просечна растојања између молекула мања него у гасовима, појава поларизације је компликована, јер поред померања центра електронске орбите у односу на језгро или ротације поларних дипола, долази до појаве поларизације. постоји и интеракција између молекула.

Пошто су у маси диелектрика појединачни атоми и молекули само поларизовани, а не распадају се на позитивно и негативно наелектрисане јоне, у сваком елементу запремине поларизованог диелектрика наелектрисања оба знака су једнака. Дакле, диелектрик у целој својој запремини остаје електрично неутралан.

Изузеци су наелектрисања полова молекула који се налазе на граничним површинама диелектрика. Таква наелектрисања формирају танке наелектрисане слојеве на овим површинама. У хомогеном медију, феномен поларизације се може представити као хармонијски распоред дипола.

Чврстоћа пробоја диелектрика

У нормалним условима, диелектрик има занемарљива електрична проводљивост… Ово својство остаје све док се јачина електричног поља не повећа до одређене граничне вредности за сваки диелектрик.

У јаком електричном пољу молекули диелектрика се цепају на јоне, а тело које је у слабом пољу било диелектрик постаје проводник.

Јачина електричног поља при којој почиње јонизација молекула диелектрика назива се пробојни напон (електрична чврстоћа) диелектрика.

Назива се величина јачине електричног поља која је дозвољена у диелектрику када се користи у електричним инсталацијама дозвољени напон... Дозвољени напон је обично неколико пута мањи од прекидног напона. Одређује се однос пробојног напона према дозвољеној сигурносној граници... Најбољи непроводници (диелектрици) су вакуум и гасови, посебно при високом притиску.

Диелектрични квар

До распадања долази различито у гасовитим, течним и чврстим материјама и зависи од низа услова: од хомогености диелектрика, притиска, температуре, влажности, дебљине диелектрика итд. Стога се при одређивању вредности диелектричне чврстоће ови обично су обезбеђени услови .

За материјале који раде, на пример, у затвореним просторијама и нису изложени атмосферским утицајима, успостављају се нормални услови (на пример, температура + 20 ° Ц, притисак 760 мм). Нормализује се и влажност, понекад фреквенција итд.

Гасови имају релативно ниску електричну снагу. Дакле, градијент пропадања ваздуха у нормалним условима је 30 кВ / цм.Предност гасова је у томе што се након њиховог уништења брзо обнављају њихова изолациона својства.

Течни диелектрици имају нешто већу електричну снагу. Посебност течности је добро одвођење топлоте са уређаја који се загревају када струја пролази кроз жице. Присуство нечистоћа, посебно воде, значајно смањује диелектричну чврстоћу течних диелектрика. У течностима, као иу гасовима, њихова изолациона својства се обнављају након уништења.

Чврсти диелектрици представљају широку класу изолационих материјала, како природних тако и вештачких. Ови диелектрици имају широк спектар електричних и механичких својстава.

Употреба овог или оног материјала зависи од захтева за изолацијом дате инсталације и услова њеног рада. Лискун, стакло, парафин, ебонит, као и разне влакнасте и синтетичке органске материје, бакелит, гетинакс итд. Одликује их висока електрична снага.

Ако се, поред захтева за високим градијентом слома, материјалу намеће захтев за високом механичком чврстоћом (на пример, у изолаторима носача и суспензије, ради заштите опреме од механичког напрезања), електрични порцелан се широко користи.

У табели су приказане вредности чврстоће пробоја (у нормалним условима и при константној нули) неких од најчешћих диелектрика.

Вредности пробојне чврстоће диелектрика

Материјал Пробојни напон, кв/мм Папир импрегниран парафином 10,0-25,0 Ваздух 3,0 Минерално уље 6,0 -15,0 Мермер 3,0 — 4,0 Миканит 15,0 — 20,0 Електрокартон 9 ,0 — 14,0 Лискун 200,0 инча 80,00 — Стакло По 80,0 — 0 инча. .0 — 7.5 Слате 1.5 — 3.0