Διηλεκτρικά και οι ιδιότητές τους, πόλωση και αντοχή σε διάσπαση των διηλεκτρικών

Οι ουσίες (σώματα) με αμελητέα ηλεκτρική αγωγιμότητα ονομάζονται διηλεκτρικά ή μονωτικά.

Τα διηλεκτρικά ή μη αγωγοί αντιπροσωπεύουν μια μεγάλη κατηγορία ουσιών που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρική μηχανική και είναι σημαντικές για πρακτικούς σκοπούς. Χρησιμεύουν για τη μόνωση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, καθώς και για την παροχή ειδικών ιδιοτήτων σε ηλεκτρικές συσκευές, που επιτρέπουν την πληρέστερη χρήση του όγκου και του βάρους των υλικών από τα οποία κατασκευάζονται.

Τα διηλεκτρικά μπορούν να είναι ουσίες σε όλες τις αθροιστικές καταστάσεις: αέρια, υγρά και στερεά. Στην πράξη, ο αέρας, το διοξείδιο του άνθρακα, το υδρογόνο χρησιμοποιούνται ως αέρια διηλεκτρικά τόσο σε κανονική όσο και σε συμπιεσμένη κατάσταση.

Όλα αυτά τα αέρια έχουν σχεδόν άπειρη αντίσταση. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των αερίων είναι ισότροπες. Από υγρές ουσίες, χημικά καθαρό νερό, πολλές οργανικές ουσίες, φυσικά και τεχνητά έλαια (λάδι μετασχηματιστή, κουκουβάγια κ.λπ.).

Τα υγρά διηλεκτρικά έχουν επίσης ισοτροπικές ιδιότητες.Οι υψηλές μονωτικές ιδιότητες αυτών των ουσιών εξαρτώνται από την καθαρότητά τους.

Για παράδειγμα, οι μονωτικές ιδιότητες του λαδιού μετασχηματιστή μειώνονται όταν η υγρασία απορροφάται από τον αέρα. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα στην πράξη είναι τα στερεά διηλεκτρικά. Περιλαμβάνουν ουσίες ανόργανης (πορσελάνη, χαλαζίας, μάρμαρο, μαρμαρυγία, γυαλί κ.λπ.) και οργανικής (χαρτί, κεχριμπάρι, καουτσούκ, διάφορες τεχνητές οργανικές ουσίες).

Οι περισσότερες από αυτές τις ουσίες έχουν υψηλές ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται για μόνωση ηλεκτρικών συσκευώνπροορίζεται για εσωτερική και εξωτερική χρήση.

Ορισμένες ουσίες διατηρούν τις υψηλές μονωτικές τους ιδιότητες όχι μόνο σε κανονικές αλλά και σε υψηλές θερμοκρασίες (πυρίτιο, χαλαζίας, ενώσεις πυριτίου πυριτίου). Τα στερεά και τα υγρά διηλεκτρικά έχουν μια ορισμένη ποσότητα ελεύθερων ηλεκτρονίων, γι' αυτό η αντίσταση ενός καλού διηλεκτρικού είναι περίπου 1015 - 1016 ohm x m.

Υπό ορισμένες συνθήκες, ο διαχωρισμός των μορίων σε ιόντα συμβαίνει στα διηλεκτρικά (για παράδειγμα, υπό την επίδραση υψηλής θερμοκρασίας ή σε ισχυρό πεδίο), σε αυτήν την περίπτωση τα διηλεκτρικά χάνουν τις μονωτικές τους ιδιότητες και γίνονται οδηγούς.

Τα διηλεκτρικά έχουν την ιδιότητα να είναι πολωμένα και είναι δυνατή η μακροχρόνια ύπαρξη σε αυτά. ηλεκτροστατικό πεδίο.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα όλων των διηλεκτρικών δεν είναι μόνο η υψηλή αντίσταση στη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος, που καθορίζεται από την παρουσία σε αυτά ενός μικρού αριθμού ηλεκτρόνια, που κινούνται ελεύθερα σε όλο τον όγκο του διηλεκτρικού, αλλά και μια αλλαγή στις ιδιότητές τους υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, που ονομάζεται πόλωση. Η πόλωση έχει μεγάλη επίδραση στο ηλεκτρικό πεδίο σε ένα διηλεκτρικό.

Ένα από τα κύρια παραδείγματα χρήσης διηλεκτρικών στην ηλεκτρική πρακτική είναι η απομόνωση στοιχείων ηλεκτρικών συσκευών από το έδαφος και μεταξύ τους, λόγω της οποίας η καταστροφή της μόνωσης διαταράσσει την κανονική λειτουργία των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και οδηγεί σε ατυχήματα.
Για να αποφευχθεί αυτό, στη σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών και εγκαταστάσεων επιλέγεται η μόνωση μεμονωμένων στοιχείων έτσι ώστε, αφενός, η ένταση πεδίου στα διηλεκτρικά να μην υπερβαίνει πουθενά τη διηλεκτρική τους ισχύ και, αφετέρου, αυτή η μόνωση στις επιμέρους συνδέσεις των συσκευών χρησιμοποιείται όσο το δυνατόν πληρέστερα (χωρίς επιπλέον απόθεμα).
Για να γίνει αυτό, θα πρέπει πρώτα να γνωρίζετε πώς κατανέμεται το ηλεκτρικό πεδίο στη συσκευή.Στη συνέχεια, επιλέγοντας τα κατάλληλα υλικά και το πάχος τους, το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να λυθεί ικανοποιητικά.

Διηλεκτρική πόλωση

Εάν ένα ηλεκτρικό πεδίο δημιουργείται στο κενό, τότε το μέγεθος και η κατεύθυνση του διανύσματος έντασης πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο εξαρτάται μόνο από το μέγεθος και τη θέση των φορτίων που δημιουργούν το πεδίο. Εάν το πεδίο δημιουργείται σε οποιοδήποτε διηλεκτρικό, τότε συμβαίνουν φυσικές διεργασίες στα μόρια του τελευταίου που επηρεάζουν το ηλεκτρικό πεδίο.

Υπό τη δράση των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια σε τροχιές μετατοπίζονται προς την αντίθετη κατεύθυνση από το πεδίο. Ως αποτέλεσμα, τα προηγουμένως ουδέτερα μόρια γίνονται δίπολα με ίσα φορτία στον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια στις τροχιές. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διηλεκτρική πόλωση... Όταν εξαφανίζεται το πεδίο, εξαφανίζεται και η μετατόπιση. Τα μόρια γίνονται ξανά ηλεκτρικά ουδέτερα.

Τα πολωμένα μόρια - δίπολα δημιουργούν το δικό τους ηλεκτρικό πεδίο, η κατεύθυνση του οποίου είναι αντίθετη από την κατεύθυνση του κύριου (εξωτερικού) πεδίου, επομένως το πρόσθετο πεδίο, σε συνδυασμό με το κύριο, το αποδυναμώνει.

Όσο πιο πολωμένο είναι το διηλεκτρικό, τόσο πιο ασθενές είναι το προκύπτον πεδίο, τόσο χαμηλότερη είναι η έντασή του σε οποιοδήποτε σημείο για τα ίδια φορτία που δημιουργούν το κύριο πεδίο, και επομένως η διηλεκτρική σταθερά ενός τέτοιου διηλεκτρικού είναι μεγαλύτερη.

Εάν το διηλεκτρικό βρίσκεται σε εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, η μετατόπιση των ηλεκτρονίων γίνεται επίσης εναλλασσόμενη. Αυτή η διαδικασία οδηγεί σε αύξηση της κίνησης των σωματιδίων και συνεπώς σε θέρμανση του διηλεκτρικού.

Όσο πιο συχνά αλλάζει το ηλεκτρικό πεδίο, τόσο περισσότερο θερμαίνεται το διηλεκτρικό. Στην πράξη, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη θέρμανση υγρών υλικών για την ξήρανση τους ή για τη λήψη χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες.

Διαβάστε επίσης: Τι είναι η διηλεκτρική απώλεια εξαιτίας αυτού που συμβαίνει

Πολικά και μη πολικά διηλεκτρικά

Αν και τα διηλεκτρικά πρακτικά δεν άγουν ηλεκτρισμό, ωστόσο, υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, αλλάζουν τις ιδιότητές τους. Ανάλογα με τη δομή των μορίων και τη φύση της επίδρασης του ηλεκτρικού πεδίου σε αυτά, τα διηλεκτρικά χωρίζονται σε δύο τύπους: μη πολικά και πολικά (με ηλεκτρονική και προσανατολιστική πόλωση).

Στα μη πολικά διηλεκτρικά, αν όχι σε ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε τροχιές με κέντρο που συμπίπτει με το κέντρο του πυρήνα. Επομένως, η δράση αυτών των ηλεκτρονίων μπορεί να θεωρηθεί ως η δράση αρνητικών φορτίων που βρίσκονται στο κέντρο του πυρήνα.Δεδομένου ότι τα κέντρα δράσης των θετικά φορτισμένων σωματιδίων - τα πρωτόνια - είναι συγκεντρωμένα στο κέντρο του πυρήνα, στο διάστημα το άτομο γίνεται αντιληπτό ως ηλεκτρικά ουδέτερο.

Όταν αυτές οι ουσίες εισάγονται στο ηλεκτροστατικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια μετατοπίζονται υπό την επίδραση των δυνάμεων του πεδίου και τα κέντρα δράσης των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων δεν συμπίπτουν. Στον εξωτερικό χώρο, το άτομο σε αυτή την περίπτωση γίνεται αντιληπτό ως δίπολο, δηλαδή ως ένα σύστημα δύο ίσων διαφορετικών σημειακών φορτίων -q και + q, που βρίσκονται μεταξύ τους σε μια ορισμένη μικρή απόσταση a, ίση με τη μετατόπιση του κέντρο της τροχιάς του ηλεκτρονίου σε σχέση με το κέντρο του πυρήνα.

Σε ένα τέτοιο σύστημα, το θετικό φορτίο αποδεικνύεται ότι μετατοπίζεται προς την κατεύθυνση της έντασης του πεδίου, το αρνητικό προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς του εξωτερικού πεδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η σχετική μετατόπιση των φορτίων σε κάθε μόριο.

Όταν το πεδίο εξαφανίζεται, τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση κίνησης σε σχέση με τον ατομικό πυρήνα και το διηλεκτρικό γίνεται ξανά ουδέτερο. Η παραπάνω αλλαγή στις ιδιότητες ενός διηλεκτρικού υπό την επίδραση ενός πεδίου ονομάζεται ηλεκτρονική πόλωση.

Στα πολικά διηλεκτρικά, τα μόρια είναι δίπολα. Όντας σε χαοτική θερμική κίνηση, η διπολική ροπή αλλάζει συνεχώς θέση, γεγονός που οδηγεί στην αντιστάθμιση των πεδίων των διπόλων μεμονωμένων μορίων και στο γεγονός ότι έξω από το διηλεκτρικό, όταν δεν υπάρχει εξωτερικό πεδίο, δεν υπάρχει μακροσκοπικό πεδίο.

Όταν αυτές οι ουσίες εκτίθενται σε εξωτερικό ηλεκτροστατικό πεδίο, τα δίπολα θα περιστρέφονται και θα τοποθετούν τους άξονές τους κατά μήκος του πεδίου. Αυτή η πλήρως διατεταγμένη διάταξη θα παρεμποδιστεί από τη θερμική κίνηση.

Σε χαμηλή ένταση πεδίου, συμβαίνει μόνο περιστροφή των διπόλων σε μια ορισμένη γωνία προς την κατεύθυνση του πεδίου, η οποία καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της δράσης του ηλεκτρικού πεδίου και της επίδρασης της θερμικής κίνησης.

Καθώς αυξάνεται η ένταση του πεδίου, αυξάνεται η περιστροφή των μορίων και, κατά συνέπεια, ο βαθμός πόλωσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η απόσταση a μεταξύ των φορτίων του διπόλου καθορίζεται από τη μέση τιμή των προεξοχών των αξόνων του διπόλου στην κατεύθυνση της έντασης του πεδίου. Εκτός από αυτό το είδος πόλωσης, που ονομάζεται προσανατολιστική, υπάρχει επίσης μια ηλεκτρονική πόλωση σε αυτά τα διηλεκτρικά που προκαλείται από τη μετατόπιση των φορτίων.

Τα σχέδια πόλωσης που περιγράφονται παραπάνω είναι βασικά για όλες τις μονωτικές ουσίες: αέριες, υγρές και στερεές. Στα υγρά και στερεά διηλεκτρικά, όπου οι μέσες αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι μικρότερες από ό,τι στα αέρια, το φαινόμενο της πόλωσης είναι πολύπλοκο, επειδή εκτός από τη μετατόπιση του κέντρου της τροχιάς του ηλεκτρονίου σε σχέση με τον πυρήνα ή την περιστροφή των πολικών διπόλων, υπάρχει επίσης μια αλληλεπίδραση μεταξύ των μορίων.

Δεδομένου ότι στη μάζα ενός διηλεκτρικού, μεμονωμένα άτομα και μόρια είναι μόνο πολωμένα και δεν διασπώνται σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα ιόντα, σε κάθε στοιχείο του όγκου ενός πολωμένου διηλεκτρικού, τα φορτία και των δύο σημάτων είναι ίσα. Επομένως, το διηλεκτρικό σε όλο τον όγκο του παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο.

Εξαίρεση αποτελούν τα φορτία των πόλων των μορίων που βρίσκονται στις οριακές επιφάνειες του διηλεκτρικού. Τέτοια φορτία σχηματίζουν λεπτά φορτισμένα στρώματα σε αυτές τις επιφάνειες. Σε ένα ομοιογενές μέσο, ​​το φαινόμενο της πόλωσης μπορεί να αναπαρασταθεί ως μια αρμονική διάταξη διπόλων.

Η ισχύς διάσπασης των διηλεκτρικών

Υπό κανονικές συνθήκες, το διηλεκτρικό έχει αμελητέα ηλεκτρική αγωγιμότητα… Αυτή η ιδιότητα παραμένει έως ότου η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξηθεί σε μια ορισμένη οριακή τιμή για κάθε διηλεκτρικό.

Σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, τα μόρια του διηλεκτρικού χωρίζονται σε ιόντα και το σώμα, που ήταν διηλεκτρικό σε αδύναμο πεδίο, γίνεται αγωγός.

Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο οποίο αρχίζει ο ιονισμός των διηλεκτρικών μορίων ονομάζεται τάση διάσπασης (ηλεκτρική ισχύς) του διηλεκτρικού.

Ονομάζεται το μέγεθος της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου που επιτρέπεται σε ένα διηλεκτρικό όταν χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις επιτρεπόμενη τάση... Η επιτρεπόμενη τάση είναι συνήθως πολλές φορές μικρότερη από την τάση θραύσης. Καθορίζεται ο λόγος της τάσης διάσπασης προς το επιτρεπόμενο περιθώριο ασφαλείας... Οι καλύτεροι μη αγωγοί (διηλεκτρικά) είναι το κενό και τα αέρια, ειδικά σε υψηλή πίεση.

Διηλεκτρική βλάβη

Η διάσπαση συμβαίνει διαφορετικά σε αέριες, υγρές και στερεές ουσίες και εξαρτάται από έναν αριθμό συνθηκών: από την ομοιογένεια του διηλεκτρικού, την πίεση, τη θερμοκρασία, την υγρασία, το πάχος του διηλεκτρικού κ.λπ. Επομένως, κατά τον προσδιορισμό της τιμής της διηλεκτρικής ισχύος, συνήθως παρέχονται προϋποθέσεις.

Για υλικά που λειτουργούν, για παράδειγμα, σε κλειστούς χώρους και δεν εκτίθενται σε ατμοσφαιρικές επιδράσεις, καθορίζονται κανονικές συνθήκες (για παράδειγμα, θερμοκρασία + 20 ° C, πίεση 760 mm). Εξομαλύνεται επίσης η υγρασία, μερικές φορές η συχνότητα κ.λπ.

Τα αέρια έχουν σχετικά χαμηλή ηλεκτρική αντοχή. Έτσι, η κλίση διάσπασης του αέρα υπό κανονικές συνθήκες είναι 30 kV / cm.Το πλεονέκτημα των αερίων είναι ότι μετά την καταστροφή τους αποκαθίστανται γρήγορα οι μονωτικές τους ιδιότητες.

Τα υγρά διηλεκτρικά έχουν ελαφρώς υψηλότερη ηλεκτρική αντοχή. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των υγρών είναι η καλή απομάκρυνση της θερμότητας από συσκευές που θερμαίνονται όταν το ρεύμα διέρχεται από τα καλώδια. Η παρουσία ακαθαρσιών, ιδίως νερού, μειώνει σημαντικά τη διηλεκτρική αντοχή των υγρών διηλεκτρικών. Στα υγρά, όπως και στα αέρια, οι μονωτικές τους ιδιότητες αποκαθίστανται μετά την καταστροφή τους.

Τα στερεά διηλεκτρικά αντιπροσωπεύουν μια ευρεία κατηγορία μονωτικών υλικών, τόσο φυσικά όσο και τεχνητά. Αυτά τα διηλεκτρικά έχουν μεγάλη ποικιλία ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων.

Η χρήση αυτού ή του άλλου υλικού εξαρτάται από τις απαιτήσεις μόνωσης της δεδομένης εγκατάστασης και τις συνθήκες λειτουργίας της. Μίκα, γυαλί, παραφίνη, εβονίτης, καθώς και διάφορες ινώδεις και συνθετικές οργανικές ουσίες, βακελίτης, getinax κ.λπ. Χαρακτηρίζονται από υψηλή ηλεκτρική αντοχή.

Εάν, εκτός από την απαίτηση για υψηλή κλίση διάσπασης, επιβάλλεται στο υλικό μια απαίτηση για υψηλή μηχανική αντοχή (για παράδειγμα, σε μονωτήρες στήριξης και ανάρτησης, για προστασία του εξοπλισμού από μηχανικές καταπονήσεις), η ηλεκτρική πορσελάνη χρησιμοποιείται ευρέως.

Ο πίνακας δείχνει τις τιμές αντοχής σε διάσπαση (υπό κανονικές συνθήκες και σε σταθερό μηδέν) ορισμένων από τα πιο κοινά διηλεκτρικά.

Τιμές ισχύος διηλεκτρικής διάσπασης

Υλικό Τάση διάσπασης, kv / mm Χαρτί εμποτισμένο με παραφίνη 10,0-25,0 Αέρας 3,0 Ορυκτέλαιο 6,0 -15,0 Μάρμαρο 3,0 — 4,0 Mikanite 15,0 — 20,0 Ηλεκτρικό χαρτόνι 9 ,0 — 14,00 — 2,0,0,0 Porcelain 6.0 — 7.5 Slate 1.5 — 3.0