Dielectricii și proprietățile lor, polarizarea și rezistența la rupere a dielectricilor

Substanțele (corpurile) cu conductivitate electrică neglijabilă se numesc dielectrici sau izolatori.

Dielectricii sau neconductorii reprezintă o clasă mare de substanțe utilizate în inginerie electrică care sunt importante pentru scopuri practice. Acestea servesc la izolarea circuitelor electrice, precum și pentru a conferi proprietăți speciale dispozitivelor electrice, care permit o utilizare mai completă a volumului și greutății materialelor din care sunt fabricate.

Dielectricii pot fi substanțe în toate stările agregate: gazoase, lichide și solide. În practică, aerul, dioxidul de carbon, hidrogenul sunt utilizați ca dielectrici gazoși atât în ​​stare normală, cât și în stare comprimată.

Toate aceste gaze au o rezistență aproape infinită. Proprietățile electrice ale gazelor sunt izotrope. Din substanțe lichide, apă pură din punct de vedere chimic, multe substanțe organice, uleiuri naturale și artificiale (ulei de transformator, bufniță etc.).

Dielectricii lichidi au, de asemenea, proprietăți izotrope.Calitățile izolante ridicate ale acestor substanțe depind de puritatea lor.

De exemplu, proprietățile de izolare ale uleiului de transformator scad atunci când umiditatea este absorbită din aer. Cele mai utilizate în practică sunt dielectricii solizi. Acestea includ substanțe de origine anorganică (porțelan, cuarț, marmură, mică, sticlă etc.) și organică (hârtie, chihlimbar, cauciuc, diverse substanțe organice artificiale).

Majoritatea acestor substanțe au proprietăți electrice și mecanice ridicate și sunt utilizate pentru izolarea aparatelor electricedestinate utilizării interne și externe.

O serie de substanțe își păstrează proprietățile izolante ridicate nu numai la temperaturi normale, ci și la temperaturi ridicate (siliciu, cuarț, compuși siliciu siliciu). Dielectricii solizi și lichidi au o anumită cantitate de electroni liberi, motiv pentru care rezistența unui dielectric bun este de aproximativ 1015 - 1016 ohm x m.

În anumite condiții, separarea moleculelor în ioni are loc în dielectrici (de exemplu, sub influența temperaturii ridicate sau într-un câmp puternic), în acest caz dielectricii își pierd proprietățile izolante și devin șoferii.

Dielectricii au proprietatea de a fi polarizați și existența pe termen lung este posibilă în ei. câmp electrostatic.

O caracteristică distinctivă a tuturor dielectricilor este nu numai rezistența ridicată la trecerea curentului electric, determinată de prezența în ele a unui număr mic. electroni, deplasându-se liber prin întregul volum al dielectricului, dar și o modificare a proprietăților acestora sub acțiunea unui câmp electric, care se numește polarizare. Polarizarea are un efect mare asupra câmpului electric dintr-un dielectric.

Unul dintre principalele exemple de utilizare a dielectricilor în practica electrică este izolarea elementelor dispozitivelor electrice de sol și unele de altele, din cauza căreia distrugerea izolației perturbă funcționarea normală a instalațiilor electrice și duce la accidente.
Pentru a evita acest lucru, la proiectarea mașinilor și instalațiilor electrice, izolarea elementelor individuale este aleasă astfel încât, pe de o parte, intensitatea câmpului în dielectrici să nu depășească nicăieri rezistența lor dielectrică, iar pe de altă parte, această izolație. în conexiunile individuale ale dispozitivelor se utilizează cât mai complet posibil (fără stoc în exces).
Pentru a face acest lucru, trebuie mai întâi să știți cum este distribuit câmpul electric în dispozitiv, apoi, prin alegerea materialelor adecvate și a grosimii acestora, problema de mai sus poate fi rezolvată satisfăcător.

Polarizare dielectrică

Dacă un câmp electric este creat în vid, atunci mărimea și direcția vectorului intensității câmpului într-un punct dat depinde numai de mărimea și locația sarcinilor care creează câmpul. Dacă câmpul este creat în orice dielectric, atunci în moleculele acestuia din urmă au loc procese fizice care afectează câmpul electric.

Sub acțiunea forțelor câmpului electric, electronii de pe orbite sunt deplasați în direcția opusă câmpului. Ca rezultat, moleculele anterior neutre devin dipoli cu sarcini egale pe nucleu și electroni de pe orbite. Acest fenomen se numește polarizare dielectrică... Când câmpul dispare, dispare și deplasarea. Moleculele devin din nou neutre din punct de vedere electric.

Molecule polarizate - dipolii își creează propriul câmp electric, a cărui direcție este opusă direcției câmpului principal (extern), prin urmare câmpul suplimentar, combinat cu cel principal, îl slăbește.

Cu cât dielectricul este mai polarizat, cu atât câmpul rezultat este mai slab, cu atât intensitatea acestuia este mai mică în orice punct pentru aceleași sarcini care creează câmpul principal și, prin urmare, constanta dielectrică a unui astfel de dielectric este mai mare.

Dacă dielectricul se află într-un câmp electric alternativ, deplasarea electronilor devine și ea alternativă. Acest proces duce la o creștere a mișcării particulelor și, prin urmare, la încălzirea dielectricului.

Cu cât câmpul electric se modifică mai des, cu atât dielectricul se încălzește mai mult. În practică, acest fenomen este utilizat pentru încălzirea materialelor umede pentru a le usca sau pentru a obține reacții chimice care apar la temperaturi ridicate.

Citeste si: Ce este pierderea dielectrică din cauza a ceea ce se întâmplă

Dielectrici polari și nepolari

Deși dielectricii practic nu conduc electricitatea, cu toate acestea, sub influența unui câmp electric, își schimbă proprietățile. În funcție de structura moleculelor și de natura efectului câmpului electric asupra acestora, dielectricii se împart în două tipuri: nepolare și polare (cu polarizare electronică și orientativă).

În dielectricii nepolari, dacă nu într-un câmp electric, electronii se rotesc pe orbite cu un centru care coincide cu centrul nucleului. Prin urmare, acțiunea acestor electroni poate fi văzută ca acțiunea sarcinilor negative situate în centrul nucleului.Deoarece centrele de acțiune ale particulelor încărcate pozitiv - protonii - sunt concentrate în centrul nucleului, în spațiul cosmic atomul este perceput ca neutru din punct de vedere electric.

Când aceste substanțe sunt introduse în câmpul electrostatic, electronii sunt deplasați sub influența forțelor câmpului, iar centrele de acțiune ale electronilor și protonilor nu coincid. În spațiul cosmic, atomul în acest caz este perceput ca un dipol, adică ca un sistem de două sarcini punctiforme egale diferite -q și + q, situate unul față de celălalt la o anumită distanță mică a, egală cu deplasarea centrul orbitei electronilor în raport cu centrul nucleului.

Într-un astfel de sistem, sarcina pozitivă se dovedește a fi deplasată în direcția intensității câmpului, iar cea negativă în direcția opusă. Cu cât este mai mare puterea câmpului extern, cu atât este mai mare deplasarea relativă a sarcinilor din fiecare moleculă.

Când câmpul dispare, electronii revin la stările lor originale de mișcare în raport cu nucleul atomic și dielectricul devine din nou neutru. Modificarea de mai sus a proprietăților unui dielectric sub influența unui câmp se numește polarizare electronică.

În dielectricii polari, moleculele sunt dipoli. Fiind in miscare termica haotica, momentul dipol isi schimba pozitia tot timpul.Aceasta duce la compensarea campurilor dipolilor moleculelor individuale si la faptul ca in afara dielectricului, atunci cand nu exista camp extern, nu exista macroscopic. camp.

Când aceste substanțe sunt expuse unui câmp electrostatic extern, dipolii se vor roti și își vor poziționa axele de-a lungul câmpului. Acest aranjament complet ordonat va fi împiedicat de mișcarea termică.

La intensitatea scăzută a câmpului, doar rotația dipolilor are loc la un anumit unghi în direcția câmpului, care este determinat de echilibrul dintre acțiunea câmpului electric și efectul mișcării termice.

Pe măsură ce intensitatea câmpului crește, crește rotația moleculelor și, în consecință, gradul de polarizare. În astfel de cazuri, distanța a dintre sarcinile dipolului este determinată de valoarea medie a proiecțiilor axelor dipolului pe direcția intensității câmpului. Pe lângă acest tip de polarizare, care se numește orientațional, există și o polarizare electronică în acești dielectrici cauzată de deplasarea sarcinilor.

Modelele de polarizare descrise mai sus sunt de bază pentru toate substanțele izolante: gazoase, lichide și solide. În dielectricele lichide și solide, unde distanțele medii dintre molecule sunt mai mici decât în ​​gaze, fenomenul de polarizare este complicat, deoarece pe lângă deplasarea centrului orbitei electronilor în raport cu nucleul sau rotația dipolilor polari, există și o interacțiune între molecule.

Deoarece în masa unui dielectric, atomii și moleculele individuali sunt doar polarizați și nu se descompun în ioni încărcați pozitiv și negativ, în fiecare element al volumului unui dielectric polarizat, sarcinile ambelor semne sunt egale. Prin urmare, dielectricul în întreg volumul său rămâne neutru din punct de vedere electric.

Excepție fac sarcinile polilor moleculelor situate pe suprafețele limită ale dielectricului. Astfel de sarcini formează straturi subțiri încărcate la aceste suprafețe. Într-un mediu omogen, fenomenul de polarizare poate fi reprezentat ca o dispunere armonică a dipolilor.

Rezistența la rupere a dielectricilor

În condiții normale, dielectricul are conductivitate electrică neglijabilă… Această proprietate rămâne până când intensitatea câmpului electric este crescută la o anumită valoare limită pentru fiecare dielectric.

Într-un câmp electric puternic, moleculele dielectricului se împart în ioni, iar corpul, care era un dielectric într-un câmp slab, devine conductor.

Puterea câmpului electric la care începe ionizarea moleculelor dielectrice se numește tensiunea de rupere (rezistența electrică) a dielectricului.

Se numește mărimea intensității câmpului electric care este permisă într-un dielectric atunci când este utilizat în instalațiile electrice tensiune admisibilă... Tensiunea admisă este de obicei de câteva ori mai mică decât tensiunea de rupere. Se determină raportul dintre tensiunea de avarie și marja de siguranță admisă... Cei mai buni neconductori (dielectrici) sunt vidul și gazele, în special la presiune înaltă.

Defecțiune dielectrică

Defalcarea are loc diferit în substanțele gazoase, lichide și solide și depinde de o serie de condiții: de omogenitatea dielectricului, presiunea, temperatura, umiditatea, grosimea dielectricului etc. Prin urmare, la determinarea valorii rigidității dielectrice, acestea de obicei sunt prevăzute condiții.

Pentru materialele care lucrează, de exemplu, în încăperi închise și care nu sunt expuse influențelor atmosferice, sunt stabilite condiții normale (de exemplu, temperatură + 20 ° C, presiune 760 mm). Se normalizează și umiditatea, uneori frecvența etc.

Gazele au o rezistență electrică relativ scăzută. Deci, gradientul de defalcare al aerului în condiții normale este de 30 kV / cm.Avantajul gazelor este că, după distrugerea lor, proprietățile lor izolante sunt rapid restaurate.

Dielectricii lichidi au o rezistență electrică puțin mai mare. O caracteristică distinctivă a lichidelor este eliminarea bună a căldurii de la dispozitivele care sunt încălzite atunci când curentul trece prin fire. Prezența impurităților, în special a apei, reduce în mod semnificativ rezistența dielectrică a dielectricilor lichidi. În lichide, ca și în gaze, proprietățile lor izolante sunt restabilite după distrugere.

Dielectricii solizi reprezintă o clasă largă de materiale izolante, atât naturale, cât și artificiale. Acești dielectrici au o mare varietate de proprietăți electrice și mecanice.

Utilizarea acestui sau aceluia material depinde de cerințele de izolare ale instalației date și de condițiile de funcționare a acesteia. Mica, sticla, parafina, ebonita, precum si diverse substante organice fibroase si sintetice, bachelita, getinax etc. Se caracterizează prin rezistență electrică ridicată.

Dacă, pe lângă cerința unui gradient mare de defalcare, materialului se impune o cerință de rezistență mecanică ridicată (de exemplu, în izolatoarele de susținere și suspensie, pentru a proteja echipamentele de stres mecanic), porțelanul electric este utilizat pe scară largă.

Tabelul prezintă valorile rezistenței la rupere (în condiții normale și la un zero constant constant) ale unora dintre cele mai comune dielectrice.

Valorile rezistenței dielectrice la rupere

Material Tensiune de rupere, kv / mm Hârtie impregnată cu parafină 10,0-25,0 Aer 3,0 Ulei mineral 6,0 -15,0 Marmură 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Carton electric 9,0 — 14,0 Mica 80,0 — 21,00,0 — 21,00 — 21,00 — 21,0 Porțelan. .5 Ardezie 1.5 — 3,0