Диелектрици и техните свойства, поляризация и сила на разрушаване на диелектриците

Вещества (тела) с незначителна електропроводимост се наричат диелектрици или изолатори. 

Диелектриците или непроводниците представляват голям клас вещества, използвани в електротехниката, които са важни за практически цели. Те служат за изолиране на електрически вериги, както и за придаване на специални свойства на електрическите устройства, които дават възможност за по -пълно използване на обема и теглото на материалите, от които са направени.

Диелектриците могат да бъдат вещества във всички агрегатни състояния: в газообразно, течно и твърдо състояние. На практика въздухът, въглеродният диоксид, водородът се използват като газообразни диелектрици както в нормално, така и в компресирано състояние.

Всички тези газове имат почти безкрайно съпротивление. Електрическите свойства на газовете са изотропни. От течни вещества, химически чиста вода, много органични вещества, естествени и изкуствени масла (трансформаторно масло, бухал и др.).

Течните диелектрици също имат изотропни свойства. Високите изолационни качества на тези вещества зависят от тяхната чистота.

Например, изолационните свойства на трансформаторното масло намаляват, когато влагата се абсорбира от въздуха. Най -широко използваните в практиката са твърдите диелектрици. Те включват вещества от неорганичен (порцелан, кварц, мрамор, слюда, стъкло и др.) И органичен (хартия, кехлибар, каучук, различни изкуствени органични вещества) произход.

Повечето от тези вещества имат високи електрически и механични свойства и се използват за изолация на електрически уредипредназначени за вътрешна и външна употреба.

Редица вещества запазват високите си изолационни свойства не само при нормални, но и при повишени температури (силиций, кварц, силициеви силициеви съединения). Твърдите и течните диелектрици имат определено количество свободни електрони, поради което съпротивлението на добър диелектрик е около 1015  — 1016 ом х м.

При определени условия разделянето на молекули на йони се случва в диелектрици (например под действието на висока температура или в силно поле), в този случай диелектриците губят изолационните си свойства и стават водачи.

Диелектриците имат свойството да бъдат поляризирани и в тях е възможно дългосрочно съществуване. електростатично поле.

Отличителна черта на всички диелектрици е не само високата устойчивост на преминаване на електрически ток, определена от наличието в тях на малък брой електрони, свободно движещи се през целия обем на диелектрика, но и промяна в техните свойства под действието на електрическо поле, което се нарича поляризация. Поляризацията има голям ефект върху електрическото поле в диелектрик.

Един от основните примери за използване на диелектрици в електрическата практика е изолацията на елементи на електрически устройства от земята и един от друг, поради което разрушаването на изолацията нарушава нормалната работа на електрическите инсталации и води до аварии.
За да се избегне това, при проектирането на електрически машини и инсталации изолацията на отделни елементи се избира така, че от една страна силата на полето в диелектриците да не надвишава никъде тяхната диелектрична якост, а от друга, тази изолация в отделни връзките на устройствата се използват колкото е възможно по -пълно (без излишни наличности).
За да направите това, първо трябва да знаете как се разпределя електрическото поле в устройството.След това, чрез избора на подходящи материали и тяхната дебелина, горният проблем може да бъде разрешен задоволително.

Диелектрична поляризация

Ако във вакуум се създаде електрическо поле, тогава величината и посоката на вектора на силата на полето в дадена точка зависят само от големината и местоположението на зарядите, които създават полето. Ако полето е създадено във всеки диелектрик, тогава в молекулите на последния възникват физически процеси, които влияят на електрическото поле.

Под действието на силите на електрическото поле електроните в орбити се изместват в посока, обратна на полето. В резултат на това преди това неутралните молекули се превръщат в диполи с равни заряди на ядрото и електроните в орбитите. Това явление се нарича диелектрична поляризация… Когато полето изчезне, изместването също изчезва. Молекулите отново стават електрически неутрални.

Поляризираните молекули — диполи създават собствено електрическо поле, чиято посока е противоположна на посоката на основното (външно) поле, поради което допълнителното поле, като се събира с основното, го отслабва.

Колкото по -поляризиран е диелектрикът, толкова по -слабо е полученото поле, толкова по -малък е интензитетът му във всяка точка за същите заряди, които създават основното поле, и следователно диелектричната константа на такъв диелектрик е по -голяма.

Ако диелектрикът е в променливо електрическо поле, изместването на електроните също става променливо. Този процес води до увеличаване на движението на частиците и следователно до нагряване на диелектрика.

Колкото по -често се променя електрическото поле, толкова повече диелектрикът се нагрява. На практика това явление се използва за загряване на влажни материали, за да се изсуши или за получаване на химични реакции, които протичат при повишени температури.

Прочетете също: Какво е диелектрична загуба поради това, което се случва

Полярни и неполярни диелектрици

Въпреки че диелектриците практически не провеждат електричество, въпреки това, под въздействието на електрическо поле, те променят свойствата си. В зависимост от структурата на молекулите и естеството на въздействието върху тях на електрическото поле, диелектриците се делят на два вида: неполярни и полярни (с електронна и ориентационна поляризация).

В неполярните диелектрици, ако не са в електрическо поле, електроните се въртят по орбити с център, съвпадащ с центъра на ядрото. Следователно действието на тези електрони може да се разглежда като действие на отрицателни заряди, разположени в центъра на ядрото. Тъй като центровете на действие на положително заредени частици — протони — са концентрирани в центъра на ядрото, то във външното пространство атомът се възприема като електрически неутрален.

Когато тези вещества се въведат в електростатичното поле, електроните се изместват под въздействието на силите на полето и центровете на действие на електроните и протоните не съвпадат. Във външното пространство атомът в този случай се възприема като дипол, тоест като система от два равни различни точкови заряда -q и + q, разположени един от друг на определено малко разстояние a, равно на изместването на център на електронната орбита спрямо центъра на ядрото.

В такава система положителният заряд се оказва изместен по посока на силата на полето, отрицателният в обратна посока. Колкото по -голяма е силата на външното поле, толкова по -голямо е относителното изместване на зарядите във всяка молекула.

Когато полето изчезне, електроните се връщат в първоначалните си състояния на движение спрямо атомното ядро ​​и диелектрикът отново става неутрален. Горната промяна в свойствата на диелектрик под влияние на поле се нарича електронна поляризация.

В полярните диелектрици молекулите са диполи. Намирайки се в хаотично топлинно движение, диполният момент променя позицията си през цялото време.Това води до компенсация на полетата на диполите на отделни молекули и до факта, че извън диелектрика, когато няма външно поле, няма макроскопично поле.

Когато тези вещества са изложени на външно електростатично поле, диполите ще се въртят и ще позиционират осите си по полето. Тази напълно подредена подредба ще бъде възпрепятствана от топлинното движение.

При ниска сила на полето се случва само завъртане на диполите под определен ъгъл в посока на полето, което се определя от равновесието между действието на електрическото поле и ефекта на топлинното движение.

С увеличаване на силата на полето въртенето на молекулите и съответно степента на поляризация се увеличават. В такива случаи разстоянието a между зарядите на диполите се определя от средната стойност на проекциите на осите на диполите върху посоката на силата на полето. В допълнение към този тип поляризация, която се нарича ориентационна, в тези диелектрици има и електронна поляризация, причинена от изместването на зарядите.

Описаните по -горе поляризационни модели са основни за всички изолационни вещества: газообразни, течни и твърди. В течни и твърди диелектрици, при които средните разстояния между молекулите са по -малки, отколкото в газовете, явлението поляризация се усложнява, тъй като в допълнение към изместването на центъра на електронната орбита спрямо ядрото или въртенето на полярните диполи, също се наблюдава взаимодействие между молекулите.

Тъй като в масата на диелектрик отделните атоми и молекули са само поляризирани, а не се разпадат на положително и отрицателно заредени йони, във всеки елемент от обема на поляризиран диелектрик, зарядите на двата знака са равни. Следователно диелектрикът в целия си обем остава електрически неутрален.

Изключение правят зарядите на полюсите на молекулите, разположени на граничните повърхности на диелектрика. Такива заряди образуват тънки заредени слоеве при тези повърхности. В хомогенна среда явлението поляризация може да бъде представено като хармонично подреждане на диполи.

Силата на разрушаване на диелектриците

При нормални условия диелектрикът има незначителна електропроводимост… Това свойство остава, докато силата на електрическото поле не се увеличи до определена пределна стойност за всеки диелектрик.

В силно електрическо поле молекулите на диелектрика се разделят на йони и тялото, което е било диелектрик в слабо поле, се превръща в проводник.

Силата на електрическото поле, при която започва йонизацията на диелектрични молекули, се нарича пробивното напрежение (електрическа якост) на диелектрика.

Извиква се величината на силата на електрическото поле, която е разрешена в диелектрик, когато се използва в електрически инсталации допустимо напрежение… Допустимото напрежение обикновено е няколко пъти по -малко от разрушаващото. Определя се съотношението на пробивното напрежение към допустимото граница на безопасност… Най-добрите непроводници (диелектрици) са вакуумът и газовете, особено при високо налягане.

Диелектрична повреда

Разбиването протича по различен начин в газообразни, течни и твърди вещества и зависи от редица условия: от хомогенността на диелектрика, налягането, температурата, влажността, дебелината на диелектрика и т. Н. Следователно при определяне на стойността на диелектричната якост тези условия обикновено са предвидено.

За материали, работещи например в затворени помещения и не изложени на атмосферни влияния, се установяват нормални условия (например температура + 20 ° C, налягане 760 mm). Влажността също се нормализира, понякога честота и т.н.

Газовете имат относително ниска електрическа якост. Така че градиентът на разрушаване на въздуха при нормални условия е 30 kV / cm. Предимството на газовете е, че след разрушаването им изолационните им свойства се възстановяват бързо.

Течните диелектрици имат малко по -висока електрическа якост. Отличителна черта на течностите е доброто отвеждане на топлината от устройствата, нагрявани, когато токът преминава през проводниците. Наличието на примеси, по -специално вода, значително намалява диелектричната якост на течните диелектрици. При течностите, както при газовете, техните изолационни свойства се възстановяват след разрушаване.

Твърдите диелектрици представляват широк клас изолационни материали, както естествени, така и изкуствени. Тези диелектрици имат голямо разнообразие от електрически и механични свойства.

Използването на този или онзи материал зависи от изискванията за изолация на дадената инсталация и условията на нейната работа. Слюда, стъкло, парафин, ебонит, както и различни влакнести и синтетични органични вещества, бакелит, гетинакс и др. Се отличават с висока електрическа якост.

Ако в допълнение към изискването за висок градиент на разрушаване, към материала се налага и изискване за висока механична якост (например в опорни и окачващи изолатори, за защита на оборудването от механично натоварване), широко се използва електрически порцелан.

Таблицата показва стойностите на якостта на разрушаване (при нормални условия и при еднаква постоянна нула) на някои от най -често срещаните диелектрици.

Стойностите на якостта на разрушаване на диелектриците

Материал Пробивно напрежение, kv / mm Хартия, импрегнирана с парафин 10,0-25,0 Въздух 3,0 Минерално масло 6,0 -15,0 Мрамор 3,0 — 4,0 Миканите 15,0 — 20,0 Електрокартон 9,0 — 14,0 Мика 80,0 — 200,0 Стъклена чаша 10,0 — 40,0 Порцелан 6,0 — 7,5 Шифер 1,5 — 3,0