Dielektrika og deres egenskaber, polarisering og nedbrydningsstyrke af dielektrika

Stoffer (legemer) med ubetydelig elektrisk ledningsevne kaldes dielektriske stoffer eller isolatorer.

Dielektriske eller ikke-ledere repræsenterer en stor klasse af stoffer, der anvendes i elektroteknik, og som er vigtige for praktiske formål. De tjener til at isolere elektriske kredsløb, samt at give specielle egenskaber til elektriske enheder, som muliggør mere fuldstændig brug af volumen og vægten af ​​de materialer, hvorfra de er lavet.

Dielektriske stoffer kan være stoffer i alle aggregerede tilstande: gasformige, flydende og faste. I praksis bruges luft, kuldioxid, brint som gasformige dielektrikum både i normal og komprimeret tilstand.

Alle disse gasser har næsten uendelig modstand. Gassers elektriske egenskaber er isotrope. Fra flydende stoffer, kemisk rent vand, mange organiske stoffer, naturlige og kunstige olier (transformer olie, ugle osv.).

Flydende dielektriske stoffer har også isotrope egenskaber.Disse stoffers høje isolerende egenskaber afhænger af deres renhed.

For eksempel falder transformerolies isolerende egenskaber, når fugt absorberes fra luften. De mest udbredte i praksis er faste dielektriske stoffer. De omfatter stoffer af uorganisk (porcelæn, kvarts, marmor, glimmer, glas osv.) og organisk (papir, rav, gummi, forskellige kunstige organiske stoffer) oprindelse.

De fleste af disse stoffer har høje elektriske og mekaniske egenskaber og anvendes til isolering af elektriske apparaterberegnet til intern og ekstern brug.

En række stoffer bevarer deres høje isolerende egenskaber ikke kun ved normale, men også ved forhøjede temperaturer (silicium, kvarts, silicium siliciumforbindelser). Faste og flydende dielektrika har en vis mængde frie elektroner, hvorfor modstanden af ​​et godt dielektrikum er omkring 1015 - 1016 ohm x m.

Under visse forhold sker adskillelsen af ​​molekyler til ioner i dielektrika (for eksempel under påvirkning af høj temperatur eller i et stærkt felt), i dette tilfælde mister dielektrika deres isolerende egenskaber og bliver chauffører.

Dielektriske stoffer har den egenskab at være polariseret, og langsigtet eksistens er mulig i dem. elektrostatisk felt.

Et karakteristisk træk ved alle dielektrika er ikke kun den høje modstand mod passage af elektrisk strøm, bestemt af tilstedeværelsen i dem af et lille antal elektroner, frit bevæger sig gennem hele volumen af ​​dielektrikumet, men også en ændring i deres egenskaber under påvirkning af et elektrisk felt, som kaldes polarisering. Polarisering har en stor effekt på det elektriske felt i et dielektrikum.

Et af de vigtigste eksempler på brugen af ​​dielektrikum i elektrisk praksis er isoleringen af ​​elementer af elektriske enheder fra jorden og fra hinanden, på grund af hvilken ødelæggelsen af ​​isoleringen forstyrrer den normale drift af elektriske installationer og fører til ulykker.
For at undgå dette vælges ved design af elektriske maskiner og installationer isoleringen af ​​de enkelte elementer således, at dels feltstyrken i dielektrikkerne ikke overstiger deres dielektriske styrke nogen steder, dels denne isolering. i de enkelte tilslutninger af enhederne er brug så fuldt ud som muligt (ingen overskydende lager).
For at gøre dette skal du først vide, hvordan det elektriske felt er fordelt i enheden. Derefter kan ovenstående problem løses tilfredsstillende ved at vælge de passende materialer og deres tykkelse.

Dielektrisk polarisering

Hvis et elektrisk felt skabes i et vakuum, så afhænger størrelsen og retningen af ​​feltstyrkevektoren på et givet punkt kun af størrelsen og placeringen af ​​de ladninger, der skaber feltet. Hvis feltet skabes i et hvilket som helst dielektrikum, sker der fysiske processer i sidstnævntes molekyler, der påvirker det elektriske felt.

Under påvirkning af elektriske feltkræfter forskydes elektroner i baner i retning modsat feltet. Som et resultat bliver tidligere neutrale molekyler til dipoler med lige ladninger på kernen og elektronerne i banerne. Dette fænomen kaldes dielektrisk polarisering... Når feltet forsvinder, forsvinder forskydningen også. Molekylerne bliver igen elektrisk neutrale.

Polariserede molekyler - dipoler skaber deres eget elektriske felt, hvis retning er modsat retningen af ​​hovedfeltet (ydre), derfor svækker det ekstra felt, der kombineres med det vigtigste, det.

Jo mere polariseret dielektrikumet, jo svagere er det resulterende felt, jo lavere er dets intensitet på et hvilket som helst punkt for de samme ladninger, der skaber hovedfeltet, og derfor er dielektrisk konstant for et sådant dielektrikum større.

Hvis dielektrikumet er i et vekslende elektrisk felt, bliver forskydningen af ​​elektronerne også vekslende. Denne proces fører til en stigning i bevægelsen af ​​partikler og derfor til opvarmning af dielektrikumet.

Jo oftere det elektriske felt ændres, jo mere opvarmes dielektrikumet. I praksis bruges dette fænomen til at opvarme våde materialer for at tørre dem eller til at opnå kemiske reaktioner, der opstår ved forhøjede temperaturer.

Læs også: Hvad er dielektrisk tab på grund af det, der sker

Polære og ikke-polære dielektrika

Selvom dielektrikum praktisk talt ikke leder elektricitet, ændrer de alligevel deres egenskaber under påvirkning af et elektrisk felt. Afhængigt af strukturen af ​​molekylerne og arten af ​​virkningen på dem af det elektriske felt, er dielektrikum opdelt i to typer: ikke-polær og polær (med elektronisk og orienterende polarisering).

I ikke-polære dielektrika, hvis ikke i et elektrisk felt, spinder elektronerne i kredsløb med et center, der falder sammen med kernens centrum. Derfor kan virkningen af ​​disse elektroner ses som virkningen af ​​negative ladninger placeret i midten af ​​kernen.Da virkningscentrene for positivt ladede partikler - protoner - er koncentreret i kernens centrum, opfattes atomet i det ydre rum som elektrisk neutralt.

Når disse stoffer indføres i det elektrostatiske felt, forskydes elektronerne under påvirkning af feltkræfterne, og elektronernes og protonernes virkningscentre falder ikke sammen. I det ydre rum opfattes atomet i dette tilfælde som en dipol, det vil sige som et system af to ens forskellige punktladninger -q og + q, placeret fra hinanden i en vis lille afstand a, lig med forskydningen af centrum af elektronbanen i forhold til kernens centrum.

I et sådant system viser den positive ladning sig at være forskudt i retning af feltstyrken, den negative i den modsatte retning. Jo større styrke det ydre felt er, jo større er den relative forskydning af ladningerne i hvert molekyle.

Når feltet forsvinder, vender elektronerne tilbage til deres oprindelige bevægelsestilstande i forhold til atomkernen, og dielektrikumet bliver igen neutralt. Ovenstående ændring i egenskaberne af et dielektrikum under påvirkning af et felt kaldes elektronisk polarisering.

I polære dielektrika er molekylerne dipoler. Da dipolmomentet er i kaotisk termisk bevægelse, ændrer det hele tiden sin position, hvilket fører til kompensation af felterne af dipolerne af individuelle molekyler og til det faktum, at der uden for dielektrikumet, når der ikke er noget eksternt felt, ikke er noget makroskopisk Mark.

Når disse stoffer udsættes for et eksternt elektrostatisk felt, vil dipolerne rotere og placere deres akser langs feltet. Dette fuldt ordnede arrangement vil blive hindret af termisk bevægelse.

Ved lav feltstyrke sker kun drejning af dipolerne i en bestemt vinkel i feltets retning, som bestemmes af balancen mellem det elektriske felts virkning og effekten af ​​termisk bevægelse.

Efterhånden som feltstyrken øges, stiger molekylernes rotation og dermed polariseringsgraden. I sådanne tilfælde bestemmes afstanden a mellem dipolladningerne af middelværdien af ​​dipolaksernes projektioner på feltstyrkens retning. Ud over denne type polarisering, som kaldes orienterende, er der også en elektronisk polarisering i disse dielektrikum forårsaget af forskydning af ladninger.

Polarisationsmønstrene beskrevet ovenfor er grundlæggende for alle isolerende stoffer: gasformige, flydende og faste. I flydende og fast dielektrikum, hvor de gennemsnitlige afstande mellem molekyler er mindre end i gasser, er fænomenet polarisering kompliceret, fordi ud over forskydningen af ​​midten af ​​elektronbanen i forhold til kernen eller rotationen af ​​de polære dipoler, der er også et samspil mellem molekylerne.

Da individuelle atomer og molekyler i massen af ​​et dielektrikum kun er polariserede og ikke bryder op i positivt og negativt ladede ioner, er ladningerne af begge tegn ens i hvert element af volumenet af et polariseret dielektrikum. Derfor forbliver dielektrikumet i hele dets volumen elektrisk neutralt.

Undtagelser er ladningerne af polerne af molekylerne placeret på dielektriskets grænseflader. Sådanne ladninger danner tynde ladede lag ved disse overflader. I et homogent medium kan fænomenet polarisering repræsenteres som et harmonisk arrangement af dipoler.

Dielektriks nedbrydningsstyrke

Under normale forhold har dielektrikumet ubetydelig elektrisk ledningsevne… Denne egenskab forbliver, indtil den elektriske feltstyrke øges til en vis grænseværdi for hvert dielektrikum.

I et stærkt elektrisk felt splittes dielektrikumets molekyler i ioner, og kroppen, som var et dielektrikum i et svagt felt, bliver en leder.

Styrken af ​​det elektriske felt, hvorved ioniseringen af ​​dielektriske molekyler begynder, kaldes dielektriskets nedbrydningsspænding (elektriske styrke).

Det kaldes størrelsen af ​​den elektriske feltstyrke, der er tilladt i et dielektrikum, når det bruges i elektriske installationer tilladt spænding... Den tilladte spænding er normalt flere gange mindre end brudspændingen. Forholdet mellem gennemslagsspændingen og den tilladte sikkerhedsmargin bestemmes... De bedste ikke-ledere (dielektrikum) er vakuum og gasser, især ved højt tryk.

Dielektrisk fejl

Nedbrydning sker forskelligt i gasformige, flydende og faste stoffer og afhænger af en række forhold: af dielektrikumets homogenitet, tryk, temperatur, luftfugtighed, tykkelsen af ​​dielektrikumet osv. Ved bestemmelse af værdien af ​​den dielektriske styrke er disse derfor betingelser er normalt tilvejebragt.

For materialer, der arbejder, for eksempel i lukkede rum og ikke udsættes for atmosfæriske påvirkninger, etableres normale forhold (for eksempel temperatur + 20 ° C, tryk 760 mm). Fugtighed normaliseres også, nogle gange frekvens osv.

Gasser har relativt lav elektrisk styrke. Så nedbrydningsgradienten af ​​luft under normale forhold er 30 kV / cm.Fordelen ved gasser er, at efter deres ødelæggelse bliver deres isolerende egenskaber hurtigt genoprettet.

Flydende dielektriske stoffer har en lidt højere elektrisk styrke. Et karakteristisk træk ved væsker er den gode fjernelse af varme fra enheder, der opvarmes, når strømmen passerer gennem ledningerne. Tilstedeværelsen af ​​urenheder, især vand, reducerer den dielektriske styrke af flydende dielektrika betydeligt. I væsker, som i gasser, genoprettes deres isolerende egenskaber efter ødelæggelse.

Solide dielektrika repræsenterer en bred klasse af isoleringsmaterialer, både naturlige og menneskeskabte. Disse dielektrika har en bred vifte af elektriske og mekaniske egenskaber.

Brugen af ​​dette eller det materiale afhænger af isoleringskravene for den givne installation og betingelserne for dens drift. Glimmer, glas, paraffin, ebonit, samt forskellige fibrøse og syntetiske organiske stoffer, bakelit, getinax mv. De er kendetegnet ved høj elektrisk styrke.

Hvis der udover kravet om høj nedbrydningsgradient stilles krav om høj mekanisk styrke til materialet (f.eks. i støtte- og ophængsisolatorer, for at beskytte udstyr mod mekanisk belastning), er elektrisk porcelæn meget brugt.

Tabellen viser nedbrydningsstyrkeværdierne (under normale forhold og ved et konstant konstant nul) for nogle af de mest almindelige dielektrika.

Dielektriske nedbrydningsstyrkeværdier

Materiale Nedbrudsspænding, kv / mm Papir imprægneret med paraffin 10,0-25,0 Luft 3,0 Mineralolie 6,0 -15,0 Marmor 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 El-pap 9,0 — 14,0 Glimmer 80,0 — Glas 40,0 — 0,0 — Glas 40,0 — 0,0 7.5 Skifer 1.5 - 3,0