Dielektriske stoffer og deres egenskaper, polarisering og nedbrytningsstyrke til dielektriske stoffer

Stoffer (legemer) med ubetydelig elektrisk ledningsevne kalles dielektrikum eller isolatorer.

Dielektriske eller ikke-ledere representerer en stor klasse av stoffer som brukes i elektroteknikk som er viktige for praktiske formål. De tjener til å isolere elektriske kretser, samt å gi spesielle egenskaper til elektriske enheter, som muliggjør mer fullstendig bruk av volumet og vekten til materialene de er laget av.

Dielektriske stoffer kan være stoffer i alle aggregerte tilstander: gassformig, flytende og fast. I praksis brukes luft, karbondioksid, hydrogen som gassformig dielektrikum både i normal og komprimert tilstand.

Alle disse gassene har nesten uendelig motstand. De elektriske egenskapene til gasser er isotropiske. Fra flytende stoffer, kjemisk rent vann, mange organiske stoffer, naturlige og kunstige oljer (transformatorolje, ugle osv.).

Flytende dielektriske stoffer har også isotropiske egenskaper.De høye isolerende egenskapene til disse stoffene avhenger av deres renhet.

For eksempel reduseres de isolerende egenskapene til transformatorolje når fuktighet absorberes fra luften. De mest brukte i praksis er solide dielektriske stoffer. De inkluderer stoffer av uorganisk (porselen, kvarts, marmor, glimmer, glass, etc.) og organisk (papir, rav, gummi, forskjellige kunstige organiske stoffer) opprinnelse.

De fleste av disse stoffene har høye elektriske og mekaniske egenskaper og brukes for isolering av elektriske apparaterberegnet for intern og ekstern bruk.

En rekke stoffer beholder sine høye isolasjonsegenskaper ikke bare ved normale, men også ved høye temperaturer (silisium, kvarts, silisium silisiumforbindelser). Faste og flytende dielektrikum har en viss mengde frie elektroner, og derfor er motstanden til et godt dielektrikum omtrent 1015 - 1016 ohm x m.

Under visse forhold skjer separasjonen av molekyler til ioner i dielektrikum (for eksempel under påvirkning av høy temperatur eller i et sterkt felt), i dette tilfellet mister dielektrika sine isolerende egenskaper og blir sjåfører.

Dielektriske stoffer har egenskapen til å være polarisert og langsiktig eksistens er mulig i dem. elektrostatisk felt.

Et særtrekk ved all dielektrikum er ikke bare den høye motstanden mot passasje av elektrisk strøm, bestemt av tilstedeværelsen i dem av et lite antall elektroner, beveger seg fritt gjennom hele volumet av dielektrikumet, men også en endring i deres egenskaper under påvirkning av et elektrisk felt, som kalles polarisering. Polarisering har stor effekt på det elektriske feltet i et dielektrikum.

Et av hovedeksemplene på bruk av dielektrikum i elektrisk praksis er isolering av elementer av elektriske enheter fra bakken og fra hverandre, på grunn av hvilken ødeleggelsen av isolasjonen forstyrrer den normale driften av elektriske installasjoner og fører til ulykker.
For å unngå dette, ved utforming av elektriske maskiner og installasjoner, velges isolasjonen av enkeltelementer slik at på den ene side feltstyrken i dielektrikene ikke overstiger deres dielektriske styrke noe sted, og på den annen side denne isolasjonen. i de individuelle tilkoblingene til enhetene er bruk så fullt som mulig (ingen overflødig lager).
For å gjøre dette, må du først vite hvordan det elektriske feltet er fordelt i enheten. Deretter, ved å velge riktige materialer og deres tykkelse, kan problemet ovenfor løses tilfredsstillende.

Dielektrisk polarisering

Hvis et elektrisk felt skapes i et vakuum, avhenger størrelsen og retningen til feltstyrkevektoren ved et gitt punkt bare av størrelsen og plasseringen av ladningene som skaper feltet. Hvis feltet opprettes i et hvilket som helst dielektrisk, oppstår fysiske prosesser i molekylene til sistnevnte som påvirker det elektriske feltet.

Under påvirkning av elektriske feltkrefter forskyves elektroner i baner i motsatt retning av feltet. Som et resultat blir tidligere nøytrale molekyler dipoler med like ladninger på kjernen og elektronene i banene. Dette fenomenet kalles dielektrisk polarisering... Når feltet forsvinner, forsvinner også forskyvningen. Molekylene blir elektrisk nøytrale igjen.

Polariserte molekyler - dipoler skaper sitt eget elektriske felt, hvis retning er motsatt av retningen til hovedfeltet (eksterne), derfor svekker tilleggsfeltet, kombinert med hovedfeltet, det.

Jo mer polarisert dielektrikumet er, jo svakere er det resulterende feltet, desto lavere er intensiteten på et hvilket som helst punkt for de samme ladningene som skaper hovedfeltet, og derfor er den dielektriske konstanten til et slikt dielektrikum større.

Hvis dielektrikumet er i et vekslende elektrisk felt, blir forskyvningen av elektronene også vekslende. Denne prosessen fører til en økning i bevegelsen av partikler og derfor til oppvarming av dielektrikumet.

Jo oftere det elektriske feltet endres, jo mer varmes dielektrikumet opp. I praksis brukes dette fenomenet til å varme opp våte materialer for å tørke dem eller for å oppnå kjemiske reaksjoner som skjer ved høye temperaturer.

Les også: Hva er dielektrisk tap på grunn av det som skjer

Polare og ikke-polare dielektriske stoffer

Selv om dielektrikum praktisk talt ikke leder elektrisitet, endrer de likevel egenskapene deres under påvirkning av et elektrisk felt. Avhengig av strukturen til molekylene og arten av effekten på dem av det elektriske feltet, er dielektrikum delt inn i to typer: ikke-polare og polare (med elektronisk og orienterende polarisering).

I ikke-polare dielektrika, hvis ikke i et elektrisk felt, spinner elektronene i baner med et senter som sammenfaller med sentrum av kjernen. Derfor kan virkningen av disse elektronene sees på som virkningen av negative ladninger plassert i sentrum av kjernen.Siden virkningssentrene til positivt ladede partikler - protoner - er konsentrert i sentrum av kjernen, oppfattes atomet i det ytre rom som elektrisk nøytralt.

Når disse stoffene introduseres i det elektrostatiske feltet, forskyves elektronene under påvirkning av feltkreftene, og virkningssentrene til elektronene og protonene faller ikke sammen. I det ytre rom blir atomet i dette tilfellet oppfattet som en dipol, det vil si som et system med to like forskjellige punktladninger -q og + q, plassert fra hverandre i en viss liten avstand a, lik forskyvningen av senter av elektronbanen i forhold til sentrum av kjernen.

I et slikt system viser den positive ladningen seg å være forskjøvet i retning av feltstyrken, den negative i motsatt retning. Jo større styrke det ytre feltet er, jo større er den relative forskyvningen av ladningene i hvert molekyl.

Når feltet forsvinner, går elektronene tilbake til sine opprinnelige bevegelsestilstander i forhold til atomkjernen og dielektrikumet blir nøytralt igjen. Den ovennevnte endringen i egenskapene til et dielektrikum under påvirkning av et felt kalles elektronisk polarisering.

I polare dielektrika er molekylene dipoler. Ved å være i kaotisk termisk bevegelse, endrer dipolmomentet sin posisjon hele tiden. Dette fører til kompensering av feltene til dipolene til individuelle molekyler og til det faktum at utenfor dielektrikumet, når det ikke er noe eksternt felt, er det ingen makroskopisk felt.

Når disse stoffene utsettes for et eksternt elektrostatisk felt, vil dipolene rotere og plassere aksene sine langs feltet. Dette fullordnede arrangementet vil bli hindret av termisk bevegelse.

Ved lav feltstyrke skjer kun rotasjon av dipolene i en viss vinkel i feltets retning, som bestemmes av balansen mellom virkningen av det elektriske feltet og effekten av termisk bevegelse.

Når feltstyrken øker, øker rotasjonen av molekylene og følgelig graden av polarisering. I slike tilfeller bestemmes avstanden a mellom dipolladningene av gjennomsnittsverdien av projeksjonene av dipolaksene på feltstyrkens retning. I tillegg til denne typen polarisering, som kalles orienterende, er det også en elektronisk polarisering i disse dielektrikene forårsaket av forskyvning av ladninger.

Polarisasjonsmønstrene beskrevet ovenfor er grunnleggende for alle isolerende stoffer: gassformig, flytende og fast. I flytende og fast dielektrikum, hvor gjennomsnittsavstandene mellom molekyler er mindre enn i gasser, er fenomenet polarisering komplisert, fordi i tillegg til forskyvningen av midten av elektronbanen i forhold til kjernen eller rotasjonen av de polare dipolene, det er også et samspill mellom molekylene.

Siden i massen til et dielektrikum er individuelle atomer og molekyler bare polarisert, og ikke brytes opp til positivt og negativt ladede ioner, i hvert element av volumet til et polarisert dielektrikum, er ladningene til begge tegn like. Derfor forblir dielektrikumet gjennom hele volumet elektrisk nøytralt.

Unntak er ladningene til polene til molekylene som ligger på grenseoverflatene til dielektrikumet. Slike ladninger danner tynne ladede lag på disse overflatene. I et homogent medium kan fenomenet polarisering representeres som et harmonisk arrangement av dipoler.

Nedbrytningsstyrken til dielektriske stoffer

Under normale forhold har dielektrikumet ubetydelig elektrisk ledningsevne… Denne egenskapen består til den elektriske feltstyrken økes til en viss grenseverdi for hvert dielektrikum.

I et sterkt elektrisk felt splittes dielektrikumets molekyler i ioner, og kroppen, som var et dielektrikum i et svakt felt, blir en leder.

Styrken til det elektriske feltet der ioniseringen av dielektriske molekyler begynner kalles nedbrytningsspenningen (elektrisk styrke) til dielektrisket.

Det kalles størrelsen på den elektriske feltstyrken som er tillatt i et dielektrikum når det brukes i elektriske installasjoner tillatt spenning... Den tillatte spenningen er vanligvis flere ganger mindre enn bruddspenningen. Forholdet mellom gjennombruddsspenningen og tillatt sikkerhetsmargin bestemmes... De beste ikke-lederne (dielektriske) er vakuum og gasser, spesielt ved høyt trykk.

Dielektrisk svikt

Nedbrytning skjer forskjellig i gassformige, flytende og faste stoffer og avhenger av en rekke forhold: av dielektrikumets homogenitet, trykk, temperatur, fuktighet, tykkelsen på dielektrikumet osv. Når man derfor skal bestemme verdien av den dielektriske styrken, vil disse betingelser er vanligvis gitt.

For materialer som fungerer, for eksempel i lukkede rom og ikke er utsatt for atmosfærisk påvirkning, etableres normale forhold (for eksempel temperatur + 20 ° C, trykk 760 mm). Fuktigheten normaliseres også, noen ganger frekvens osv.

Gasser har relativt lav elektrisk styrke. Så nedbrytningsgradienten til luft under normale forhold er 30 kV / cm.Fordelen med gasser er at etter deres ødeleggelse blir deres isolerende egenskaper raskt gjenopprettet.

Flytende dielektriske stoffer har en litt høyere elektrisk styrke. Et særtrekk ved væsker er god fjerning av varme fra enheter som varmes opp når strømmen går gjennom ledningene. Tilstedeværelsen av urenheter, spesielt vann, reduserer den dielektriske styrken til flytende dielektriske stoffer betydelig. I væsker, som i gasser, gjenopprettes deres isolerende egenskaper etter ødeleggelse.

Solide dielektriske stoffer representerer en bred klasse av isolasjonsmaterialer, både naturlige og menneskeskapte. Disse dielektrika har et bredt utvalg av elektriske og mekaniske egenskaper.

Bruken av dette eller det materialet avhenger av isolasjonskravene til den gitte installasjonen og driftsbetingelsene. Glimmer, glass, parafin, ebonitt, samt ulike fibrøse og syntetiske organiske stoffer, bakelitt, getinax, etc. De er preget av høy elektrisk styrke.

Dersom det i tillegg til kravet om høy nedbrytningsgradient stilles krav til høy mekanisk styrke på materialet (for eksempel i støtte- og opphengsisolatorer, for å beskytte utstyr mot mekanisk påkjenning), er elektrisk porselen mye brukt.

Tabellen viser verdier for sammenbruddsstyrke (under normale forhold og ved en konstant konstant null) for noen av de vanligste dielektrika.

Dielektriske nedbrytningsstyrkeverdier

Materiale Nedbrytningsspenning, kv / mm Papir impregnert med parafin 10,0-25,0 Luft 3,0 Mineralolje 6,0 -15,0 Marmor 3,0 — 4,0 Mikanitt 15,0 — 20,0 Elektrisk papp 9 ,0 — 14,0 Glimmer 80,0 — Glass 40,0 — Glass 40,0 — Glass 20in. 7.5 Skifer 1.5 — 3,0