Dielektriķi un to īpašības, dielektriķu polarizācija un sabrukšanas stiprība

Vielas (ķermeņus) ar nenozīmīgu elektrovadītspēju sauc par dielektriķiem vai izolatoriem.

Dielektriķi vai nevadītāji ir liela elektrotehnikā izmantoto vielu klase, kas ir svarīgas praktiskiem mērķiem. Tie kalpo elektrisko ķēžu izolēšanai, kā arī īpašu īpašību piešķiršanai elektroierīcēm, kas ļauj pilnīgāk izmantot to materiālu tilpumu un svaru, no kuriem tās izgatavotas.

Dielektriķi var būt vielas visos agregātu stāvokļos: gāzveida, šķidrā un cietā stāvoklī. Praksē gaiss, oglekļa dioksīds, ūdeņradis tiek izmantoti kā gāzveida dielektriķi gan normālā, gan saspiestā stāvoklī.

Visām šīm gāzēm ir gandrīz bezgalīga pretestība. Gāzu elektriskās īpašības ir izotropas. No šķidrām vielām, ķīmiski tīra ūdens, daudzām organiskām vielām, dabīgām un mākslīgām eļļām (transformatora eļļa, pūce utt.).

Šķidriem dielektriķiem ir arī izotropas īpašības.Šo vielu augstās izolācijas īpašības ir atkarīgas no to tīrības.

Piemēram, transformatoru eļļas izolācijas īpašības samazinās, kad mitrums tiek absorbēts no gaisa. Praksē visplašāk izmantotie ir cietie dielektriķi. Tajos ietilpst neorganiskas (porcelāns, kvarcs, marmors, vizla, stikls u.c.) un organiskas (papīrs, dzintars, gumija, dažādas mākslīgās organiskās vielas) izcelsmes vielas.

Lielākajai daļai šo vielu ir augstas elektriskās un mehāniskās īpašības, un tās tiek izmantotas elektroierīču izolācijaiparedzēts iekšējai un ārējai lietošanai.

Vairākas vielas saglabā savas augstās izolācijas īpašības ne tikai normālā, bet arī paaugstinātā temperatūrā (silīcijs, kvarcs, silīcija silīcija savienojumi). Cietiem un šķidriem dielektriķiem ir noteikts brīvo elektronu daudzums, tāpēc laba dielektriķa pretestība ir aptuveni 1015 - 1016 omi x m.

Noteiktos apstākļos dielektriķos notiek molekulu atdalīšanās jonos (piemēram, augstas temperatūras ietekmē vai spēcīgā laukā), šajā gadījumā dielektriķi zaudē savas izolācijas īpašības un kļūst vadītājiem.

Dielektriķiem ir īpašība būt polarizētiem un tajos ir iespējama ilgstoša pastāvēšana. elektrostatiskais lauks.

Visu dielektriķu atšķirīgā iezīme ir ne tikai augstā pretestība elektriskās strāvas pārejai, ko nosaka neliels skaits tajos. elektroni, kas brīvi pārvietojas pa visu dielektriķa tilpumu, bet arī mainās to īpašības elektriskā lauka iedarbībā, ko sauc par polarizāciju. Polarizācijai ir liela ietekme uz elektrisko lauku dielektrikā.

Viens no galvenajiem dielektriķu izmantošanas piemēriem elektropraksē ir elektrisko ierīču elementu izolēšana no zemes un cita no cita, kā rezultātā izolācijas iznīcināšana traucē normālu elektroietaišu darbību un izraisa avārijas.
Lai no tā izvairītos, elektrisko mašīnu un instalāciju projektēšanā atsevišķu elementu izolācija tiek izvēlēta tā, lai, no vienas puses, lauka stiprums dielektriķos nekur nepārsniegtu to dielektrisko stiprumu, un, no otras puses, šī izolācija atsevišķos ierīču savienojumos tiek izmantota pēc iespējas pilnīgāk (nav lieko krājumu).
Lai to izdarītu, vispirms jāzina, kā ierīcē tiek sadalīts elektriskais lauks.Tad, izvēloties atbilstošus materiālus un to biezumu, iepriekš minēto problēmu var atrisināt apmierinoši.

Dielektriskā polarizācija

Ja elektriskais lauks tiek izveidots vakuumā, tad lauka intensitātes vektora lielums un virziens dotajā punktā ir atkarīgs tikai no lādiņu lieluma un atrašanās vietas, kas rada lauku. Ja lauks tiek izveidots jebkurā dielektrikā, tad tā molekulās notiek fizikāli procesi, kas ietekmē elektrisko lauku.

Elektriskā lauka spēku iedarbībā elektroni orbītā tiek pārvietoti virzienā, kas ir pretējs laukam. Rezultātā iepriekš neitrālas molekulas kļūst par dipoliem ar vienādiem lādiņiem uz kodolu un elektroniem orbītās. Šo parādību sauc par dielektrisko polarizāciju... Kad lauks pazūd, pazūd arī pārvietojums. Molekulas atkal kļūst elektriski neitrālas.

Polarizētās molekulas - dipoli rada savu elektrisko lauku, kura virziens ir pretējs galvenā (ārējā) lauka virzienam, tāpēc papildu lauks, apvienojoties ar galveno, to vājina.

Jo polarizētāks ir dielektriķis, jo vājāks ir iegūtais lauks, jo zemāka tā intensitāte jebkurā punktā tiem pašiem lādiņiem, kas rada galveno lauku, un tāpēc šāda dielektriķa dielektriskā konstante ir lielāka.

Ja dielektriķis atrodas mainīgā elektriskajā laukā, arī elektronu nobīde kļūst mainīga. Šis process izraisa daļiņu kustības palielināšanos un līdz ar to arī dielektriķa sildīšanu.

Jo biežāk mainās elektriskais lauks, jo vairāk dielektriķis uzsilst. Praksē šo parādību izmanto mitru materiālu karsēšanai, lai tos izžāvētu vai iegūtu ķīmiskas reakcijas, kas notiek paaugstinātā temperatūrā.

Lasi arī: Kas ir dielektriskie zudumi sakarā ar to, kas notiek

Polārie un nepolārie dielektriķi

Lai gan dielektriķi praktiski nevada elektrību, tomēr elektriskā lauka ietekmē tie maina savas īpašības. Atkarībā no molekulu struktūras un elektriskā lauka ietekmes uz tām rakstura dielektriķus iedala divos veidos: nepolārajos un polārajos (ar elektronisko un orientējošo polarizāciju).

Nepolārajos dielektriķos, ja ne elektriskajā laukā, elektroni griežas orbītās ar centru, kas sakrīt ar kodola centru. Tāpēc šo elektronu darbību var uzskatīt par negatīvu lādiņu darbību, kas atrodas kodola centrā.Tā kā pozitīvi lādētu daļiņu – protonu – darbības centri ir koncentrēti kodola centrā, kosmosā atoms tiek uztverts kā elektriski neitrāls.

Šīs vielas ievadot elektrostatiskajā laukā, lauka spēku ietekmē elektroni tiek pārvietoti, un elektronu un protonu darbības centri nesakrīt. Kosmosā atoms šajā gadījumā tiek uztverts kā dipols, tas ir, kā divu vienādu dažādu punktveida lādiņu sistēma -q un + q, kas atrodas viens no otra noteiktā nelielā attālumā a, kas vienāds ar nobīdi. elektronu orbītas centrs attiecībā pret kodola centru.

Šādā sistēmā pozitīvais lādiņš izrādās nobīdīts lauka intensitātes virzienā, negatīvais – pretējā virzienā. Jo lielāks ir ārējā lauka stiprums, jo lielāka ir lādiņu relatīvā nobīde katrā molekulā.

Kad lauks pazūd, elektroni atgriežas sākotnējos kustības stāvokļos attiecībā pret atoma kodolu, un dielektriķis atkal kļūst neitrāls. Iepriekš minētās dielektriķa īpašību izmaiņas lauka ietekmē sauc par elektronisko polarizāciju.

Polārajos dielektriķos molekulas ir dipoli. Atrodoties haotiskā termiskā kustībā, dipola moments visu laiku maina savu pozīciju, kas noved pie atsevišķu molekulu dipolu lauku kompensācijas un pie tā, ka ārpus dielektriķa, kad nav ārējā lauka, nav makroskopiska. lauks.

Kad šīs vielas tiek pakļautas ārējam elektrostatiskajam laukam, dipoli griezīsies un novietos savas asis gar lauku. Šo pilnībā sakārtoto izkārtojumu kavēs termiskā kustība.

Pie zema lauka stipruma notiek tikai dipolu rotācija noteiktā leņķī lauka virzienā, ko nosaka līdzsvars starp elektriskā lauka darbību un termiskās kustības efektu.

Palielinoties lauka intensitātei, palielinās molekulu rotācija un attiecīgi arī polarizācijas pakāpe. Šādos gadījumos attālumu a starp dipola lādiņiem nosaka dipola asu projekciju vidējā vērtība uz lauka intensitātes virzienu. Papildus šāda veida polarizācijai, ko sauc par orientāciju, šajos dielektriķos pastāv arī elektroniskā polarizācija, ko izraisa lādiņu pārvietošanās.

Iepriekš aprakstītie polarizācijas modeļi ir pamata visām izolācijas vielām: gāzveida, šķidrām un cietām. Šķidrajos un cietajos dielektriķos, kur vidējie attālumi starp molekulām ir mazāki nekā gāzēs, polarizācijas parādība ir sarežģīta, jo papildus elektronu orbītas centra nobīdei attiecībā pret kodolu vai polāro dipolu rotācijai notiek arī mijiedarbība starp molekulām.

Tā kā dielektriķa masā atsevišķi atomi un molekulas ir tikai polarizēti un nesadalās pozitīvi un negatīvi lādētos jonos, katrā polarizētā dielektriķa tilpuma elementā abu zīmju lādiņi ir vienādi. Tāpēc dielektriķis visā tā tilpumā paliek elektriski neitrāls.

Izņēmumi ir to molekulu polu lādiņi, kas atrodas uz dielektriķa robežvirsmām. Šādi lādiņi uz šīm virsmām veido plānus uzlādētus slāņus. Viendabīgā vidē polarizācijas fenomenu var attēlot kā dipolu harmonisku izkārtojumu.

Dielektriķu sabrukšanas spēks

Normālos apstākļos dielektriķim ir niecīga elektrovadītspēja… Šī īpašība saglabājas, līdz katra dielektriķa elektriskā lauka stiprums tiek palielināts līdz noteiktai robežvērtībai.

Spēcīgā elektriskajā laukā dielektriķa molekulas sadalās jonos, un ķermenis, kas bija dielektriķis vājā laukā, kļūst par vadītāju.

Elektriskā lauka stiprumu, kurā sākas dielektrisko molekulu jonizācija, sauc par dielektriķa sabrukšanas spriegumu (elektrisko izturību).

To sauc par elektriskā lauka intensitātes lielumu, kas ir pieļaujams dielektrikā, kad to izmanto elektroietaisēs pieļaujamais spriegums... Pieļaujamais spriegums parasti ir vairākas reizes mazāks par pārrāvuma spriegumu. Tiek noteikta pārrāvuma sprieguma attiecība pret pieļaujamo drošības rezervi... Vislabākie nevadītāji (dielektriķi) ir vakuums un gāzes, īpaši pie augsta spiediena.

Dielektriskā kļūme

Gāzveida, šķidrās un cietās vielās sadalīšanās notiek atšķirīgi un ir atkarīga no vairākiem apstākļiem: no dielektriķa viendabīguma, spiediena, temperatūras, mitruma, dielektriķa biezuma utt. Tāpēc, nosakot dielektriskās stiprības vērtību, šie parasti tiek nodrošināti nosacījumi.

Materiāliem, kas strādā, piemēram, slēgtās telpās un nav pakļauti atmosfēras ietekmei, tiek noteikti normāli apstākļi (piemēram, temperatūra + 20 ° C, spiediens 760 mm). Mitrums arī normalizējas, dažreiz biežums utt.

Gāzēm ir salīdzinoši zema elektriskā izturība. Tātad gaisa sadalījuma gradients normālos apstākļos ir 30 kV / cm.Gāzu priekšrocība ir tāda, ka pēc to iznīcināšanas ātri atjaunojas to izolācijas īpašības.

Šķidriem dielektriķiem ir nedaudz lielāka elektriskā izturība. Šķidrumu atšķirīga iezīme ir laba siltuma noņemšana no ierīcēm, kuras tiek uzkarsētas, kad strāva iet caur vadiem. Piemaisījumu, jo īpaši ūdens, klātbūtne ievērojami samazina šķidro dielektriķu dielektrisko izturību. Šķidrumos, tāpat kā gāzēs, pēc iznīcināšanas tiek atjaunotas to izolācijas īpašības.

Cietie dielektriķi pārstāv plašu izolācijas materiālu klasi, gan dabisko, gan mākslīgo. Šiem dielektriķiem ir daudz dažādu elektrisko un mehānisko īpašību.

Tā vai cita materiāla izmantošana ir atkarīga no konkrētās iekārtas izolācijas prasībām un tās darbības apstākļiem. Vizla, stikls, parafīns, ebonīts, kā arī dažādas šķiedrainas un sintētiskas organiskas vielas, bakelīts, getinakss u.c. Tiem ir raksturīga augsta elektriskā izturība.

Ja papildus prasībai par lielu sabrukšanas gradientu materiālam tiek izvirzīta prasība pēc lielas mehāniskās izturības (piemēram, balstu un piekares izolatoros, lai aizsargātu iekārtas no mehāniskās slodzes), plaši izmanto elektrisko porcelānu.

Tabulā ir parādītas dažu visizplatītāko dielektriķu sabrukšanas stiprības vērtības (normālos apstākļos un pie nemainīgas nulles).

Dielektriskās sabrukšanas stiprības vērtības

Materiāls Sadalījuma spriegums, kv / mm Ar parafīnu piesūcināts papīrs 10,0-25,0 Gaiss 3,0 Minerāleļļa 6,0 -15,0 Marmors 3,0 — 4,0 Mikanīts 15,0 — 20,0 Elektriskais kartons 9 ,0 — 14,0 — Vizla 9 ,0 — 14,0 — Vizla — 0,0 0,40,0,0,0, 80.0. 6,0 — 7,5 Šīferis 1,5 — 3,0