Dielektrika a jejich vlastnosti, polarizace a průrazná pevnost dielektrik

Látky (tělesa) se zanedbatelnou elektrickou vodivostí se nazývají dielektrika nebo izolanty.

Dielektrika nebo nevodiče představují velkou třídu látek používaných v elektrotechnice, které jsou důležité pro praktické účely. Slouží k izolaci elektrických obvodů a také k dodání speciálních vlastností elektrickým zařízením, které umožňují dokonalejší využití objemu a hmotnosti materiálů, ze kterých jsou vyrobeny.

Dielektrika mohou být látky ve všech agregovaných skupenstvích: plynné, kapalné i pevné. V praxi se jako plynná dielektrika používají vzduch, oxid uhličitý, vodík v normálním i stlačeném stavu.

Všechny tyto plyny mají téměř nekonečný odpor. Elektrické vlastnosti plynů jsou izotropní. Od kapalných látek, chemicky čisté vody, mnoha organických látek, přírodních a umělých olejů (transformátorový olej, sova atd.).

Kapalná dielektrika mají také izotropní vlastnosti.Vysoké izolační vlastnosti těchto látek závisí na jejich čistotě.

Například izolační vlastnosti transformátorového oleje se snižují, když je absorbována vlhkost ze vzduchu. V praxi se nejvíce používají pevná dielektrika. Zahrnují látky anorganického (porcelán, křemen, mramor, slída, sklo atd.) a organického (papír, jantar, guma, různé umělé organické látky) původu.

Většina těchto látek má vysoké elektrické a mechanické vlastnosti a používá se pro izolaci elektrických spotřebičůurčený pro vnitřní i vnější použití.

Řada látek si zachovává své vysoké izolační vlastnosti nejen při normální, ale i zvýšené teplotě (křemík, křemen, sloučeniny křemíku a křemíku). Pevná a kapalná dielektrika mají určité množství volných elektronů, proto je odpor dobrého dielektrika asi 1015 - 1016 ohm x m.

Za určitých podmínek dochází v dielektriku k separaci molekul na ionty (například vlivem vysoké teploty nebo v silném poli), v tomto případě dielektrika ztrácejí své izolační vlastnosti a stávají se Řidiči.

Dielektrika mají vlastnost polarizace a je v nich možná dlouhodobá existence. elektrostatické pole.

Charakteristickým rysem všech dielektrik není pouze vysoká odolnost proti průchodu elektrického proudu, určená přítomností malého počtu v nich elektrony, volně se pohybující celým objemem dielektrika, ale také změna jejich vlastností působením elektrického pole, která se nazývá polarizace. Polarizace má velký vliv na elektrické pole v dielektriku.

Jedním z hlavních příkladů použití dielektrik v elektrotechnické praxi je izolace prvků elektrických zařízení od země a od sebe navzájem, v důsledku čehož zničení izolace narušuje normální provoz elektrických instalací a vede k nehodám.
Aby se tomu zabránilo, volí se při návrhu elektrických strojů a instalací izolace jednotlivých prvků tak, aby na jedné straně síla pole v dielektriku nikde nepřevyšovala jejich dielektrickou sílu a na druhé straně tato izolace v jednotlivých zapojeních zařízení je maximálně využito (žádné přebytečné zásoby).
K tomu je třeba nejprve vědět, jak je elektrické pole v přístroji rozloženo.Poté výběrem vhodných materiálů a jejich tloušťky lze výše uvedený problém uspokojivě vyřešit.

Dielektrická polarizace

Pokud se elektrické pole vytvoří ve vakuu, pak velikost a směr vektoru intenzity pole v daném bodě závisí pouze na velikosti a umístění nábojů, které pole vytvářejí. Pokud je pole vytvořeno v jakémkoli dielektriku, pak v molekulách dielektrika probíhají fyzikální procesy, které ovlivňují elektrické pole.

Působením sil elektrického pole jsou elektrony na oběžné dráze posunuty ve směru opačném k poli. Výsledkem je, že dříve neutrální molekuly se stanou dipóly se stejnými náboji na jádře a elektronech na oběžných drahách. Tento jev se nazývá dielektrická polarizace... Když pole zmizí, zmizí i posunutí. Molekuly se opět stanou elektricky neutrálními.

Polarizované molekuly - dipóly vytvářejí vlastní elektrické pole, jehož směr je opačný než směr hlavního (vnějšího) pole, proto je doplňkové pole, slučující se s hlavním, zeslabuje.

Čím více je dielektrikum polarizováno, tím je výsledné pole slabší, tím nižší je jeho intenzita v libovolném bodě pro stejné náboje, které vytvářejí hlavní pole, a proto je dielektrická konstanta takového dielektrika větší.

Pokud je dielektrikum ve střídavém elektrickém poli, stává se střídavým i posun elektronů. Tento proces vede ke zvýšení pohybu částic a tím k ohřevu dielektrika.

Čím častěji se elektrické pole mění, tím více se dielektrikum zahřívá. V praxi se tento jev využívá k ohřevu mokrých materiálů k jejich vysušení nebo k získání chemických reakcí, ke kterým dochází při zvýšených teplotách.

Přečtěte si také: Co je dielektrická ztráta kvůli tomu, co se stane

Polární a nepolární dielektrika

Dielektrika sice prakticky nevedou elektrický proud, přesto vlivem elektrického pole mění své vlastnosti. V závislosti na struktuře molekul a povaze účinku elektrického pole na ně se dielektrika dělí na dva typy: nepolární a polární (s elektronickou a orientační polarizací).

V nepolárních dielektrikách, pokud nejsou v elektrickém poli, se elektrony točí po drahách se středem shodným se středem jádra. Proto lze na působení těchto elektronů nahlížet jako na působení záporných nábojů umístěných ve středu jádra.Protože centra působení kladně nabitých částic — protonů — jsou soustředěna ve středu jádra, je atom ve vesmíru vnímán jako elektricky neutrální.

Když jsou tyto látky zavedeny do elektrostatického pole, dochází vlivem sil pole k přemístění elektronů a centry působení elektronů a protonů se neshodují. V kosmickém prostoru je atom v tomto případě vnímán jako dipól, to znamená jako systém dvou stejných různých bodových nábojů -q a + q, umístěných od sebe v určité malé vzdálenosti a, která se rovná posunutí střed elektronové dráhy vzhledem ke středu jádra.

V takovém systému se kladný náboj posouvá ve směru intenzity pole, záporný v opačném směru. Čím větší je síla vnějšího pole, tím větší je relativní posunutí nábojů v každé molekule.

Když pole zmizí, elektrony se vrátí do svého původního stavu pohybu vzhledem k atomovému jádru a dielektrikum se opět stane neutrálním. Výše uvedená změna vlastností dielektrika vlivem pole se nazývá elektronická polarizace.

V polárních dielektrikách jsou molekuly dipóly. V chaotickém tepelném pohybu dipólový moment neustále mění svou polohu, což vede ke kompenzaci polí dipólů jednotlivých molekul a k tomu, že mimo dielektrikum, když není žádné vnější pole, není žádné makroskopické pole.

Když jsou tyto látky vystaveny vnějšímu elektrostatickému poli, dipóly se otočí a umístí své osy podél pole. Tomuto plně uspořádanému uspořádání bude bránit tepelný pohyb.

Při nízké intenzitě pole dochází pouze k rotaci dipólů pod určitým úhlem ve směru pole, který je dán rovnováhou mezi působením elektrického pole a účinkem tepelného pohybu.

S rostoucí intenzitou pole se zvyšuje rotace molekul a tím i stupeň polarizace. V takových případech je vzdálenost a mezi dipólovými náboji určena průměrnou hodnotou průmětů os dipólů do směru intenzity pole. Kromě tohoto typu polarizace, který se nazývá orientační, existuje v těchto dielektrikách ještě elektronická polarizace způsobená vytěsněním nábojů.

Výše popsané polarizační vzorce jsou základní pro všechny izolační látky: plynné, kapalné a pevné. V kapalných a pevných dielektrikách, kde jsou průměrné vzdálenosti mezi molekulami menší než u plynů, je jev polarizace komplikovaný, protože kromě posunu středu elektronové dráhy vůči jádru nebo rotace polárních dipólů, dochází ke vzniku polarizačního fenoménu. existuje také interakce mezi molekulami.

Protože ve hmotě dielektrika jsou jednotlivé atomy a molekuly pouze polarizované a nerozpadají se na kladně a záporně nabité ionty, v každém prvku objemu polarizovaného dielektrika jsou náboje obou znamének stejné. Proto zůstává dielektrikum v celém svém objemu elektricky neutrální.

Výjimkou jsou náboje pólů molekul umístěných na hraničních plochách dielektrika. Takové náboje tvoří na těchto površích tenké nabité vrstvy. V homogenním prostředí lze jev polarizace znázornit jako harmonické uspořádání dipólů.

Průrazná pevnost dielektrik

Za normálních podmínek má dielektrikum zanedbatelná elektrická vodivost… Tato vlastnost zůstává, dokud se intenzita elektrického pole nezvýší na určitou mezní hodnotu pro každé dielektrikum.

V silném elektrickém poli se molekuly dielektrika rozštěpí na ionty a těleso, které bylo dielektrikem ve slabém poli, se stane vodičem.

Síla elektrického pole, při kterém začíná ionizace molekul dielektrika, se nazývá průrazné napětí (elektrická pevnost) dielektrika.

Říká se tomu velikost intenzity elektrického pole, která je povolena v dielektriku, když je použito v elektrických instalacích povolené napětí... Dovolené napětí je obvykle několikanásobně menší než vypínací napětí. Stanoví se poměr průrazného napětí k přípustné bezpečnostní rezervě... Nejlepší nevodiče (dielektrika) jsou vakuum a plyny, zvláště při vysokém tlaku.

Porucha dielektrika

K průrazu dochází v plynných, kapalných a pevných látkách rozdílně a závisí na řadě podmínek: na homogenitě dielektrika, tlaku, teplotě, vlhkosti, tloušťce dielektrika atd. Proto při stanovení hodnoty dielektrické pevnosti tyto podmínky jsou obvykle poskytovány.

Pro materiály pracující například v uzavřených prostorách a nevystavené atmosférickým vlivům jsou stanoveny normální podmínky (například teplota + 20 ° C, tlak 760 mm). Normalizuje se také vlhkost, někdy frekvence atd.

Plyny mají relativně nízkou elektrickou pevnost. Takže gradient průrazu vzduchu za normálních podmínek je 30 kV / cm.Výhodou plynů je, že po jejich zničení se rychle obnoví jejich izolační vlastnosti.

Kapalná dielektrika mají o něco vyšší elektrickou pevnost. Charakteristickým rysem kapalin je dobrý odvod tepla ze zařízení, která se zahřívají, když proud prochází vodiči. Přítomnost nečistot, zejména vody, výrazně snižuje dielektrickou pevnost kapalných dielektrik. V kapalinách, stejně jako v plynech, se jejich izolační vlastnosti po zničení obnoví.

Pevná dielektrika představují širokou třídu izolačních materiálů, přírodních i umělých. Tato dielektrika mají širokou škálu elektrických a mechanických vlastností.

Použití toho či onoho materiálu závisí na požadavcích na izolaci dané instalace a podmínkách jejího provozu. Slída, sklo, parafín, ebonit, dále různé vláknité a syntetické organické látky, bakelit, getinax atd. Vyznačují se vysokou elektrickou pevností.

Je-li kromě požadavku na vysoký spád průrazu kladen na materiál požadavek na vysokou mechanickou pevnost (například u nosných a závěsných izolátorů, pro ochranu zařízení před mechanickým namáháním), je elektroporcelán široce používán.

Tabulka ukazuje hodnoty průrazné pevnosti (za normálních podmínek a při konstantní konstantní nule) některých nejběžnějších dielektrik.

Hodnoty dielektrické průrazné pevnosti

Materiál Průrazné napětí, kv / mm Papír napuštěný parafínem 10,0-25,0 Vzduch 3,0 Minerální olej 6,0 -15,0 Mramor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Elektrokarton 9 ,0 — 14,0 Slída 80,0 —7 100.6 Sklo. 5 Břidlice 1.5 — 3,0