Eristeet ja niiden ominaisuudet, eristeiden polarisaatio ja murtumislujuus

Aineita (kappaleita), joiden sähkönjohtavuus on mitätön, kutsutaan eristeiksi tai eristeiksi.

Dielektriset tai ei-johteet edustavat laajaa sähkötekniikassa käytettyjen aineiden luokkaa, jotka ovat tärkeitä käytännön tarkoituksiin. Ne eristävät sähköpiirejä sekä antavat sähkölaitteille erityisiä ominaisuuksia, jotka mahdollistavat niiden valmistusmateriaalien tilavuuden ja painon täydellisemmän käytön.

Dielektriset aineet voivat olla aineita kaikissa aggregaattitiloissa: kaasumaisia, nestemäisiä ja kiinteitä. Käytännössä ilmaa, hiilidioksidia ja vetyä käytetään kaasumaisina eristeinä sekä normaalissa että puristetussa tilassa.

Kaikilla näillä kaasuilla on lähes ääretön vastus. Kaasujen sähköiset ominaisuudet ovat isotrooppisia. Nestemäisistä aineista, kemiallisesti puhtaasta vedestä, monista orgaanisista aineista, luonnollisista ja keinotekoisista öljyistä (muuntaja öljyä, pöllö jne.).

Nestemäisillä dielektreillä on myös isotrooppisia ominaisuuksia.Näiden aineiden korkeat eristysominaisuudet riippuvat niiden puhtaudesta.

Esimerkiksi muuntajaöljyn eristysominaisuudet heikkenevät, kun kosteutta imeytyy ilmasta. Käytännössä yleisimmin käytettyjä ovat kiinteät dielektriset aineet. Niihin kuuluvat epäorgaaniset (posliini, kvartsi, marmori, kiille, lasi jne.) ja orgaaniset (paperi, meripihka, kumi, erilaiset keinotekoiset orgaaniset aineet) alkuperää olevat aineet.

Useimmilla näistä aineista on korkeat sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, ja niitä käytetään sähkölaitteiden eristämiseentarkoitettu sisä- ja ulkokäyttöön.

Useat aineet säilyttävät hyvät eristysominaisuudet normaalin lisäksi myös korkeissa lämpötiloissa (pii, kvartsi, piipiiyhdisteet). Kiinteissä ja nestemäisissä eristeissä on tietty määrä vapaita elektroneja, minkä vuoksi hyvän dielektrisen resistanssi on noin 1015 - 1016 ohm x m.

Tietyissä olosuhteissa molekyylien erottuminen ioneiksi tapahtuu dielektrikissä (esimerkiksi korkean lämpötilan vaikutuksesta tai voimakkaassa kentässä), tässä tapauksessa eristeet menettävät eristysominaisuudet ja muuttuvat Kuljettajat.

Dielektrillä on ominaisuus olla polarisoituneita ja niissä on mahdollista pitkäaikainen olemassaolo. sähköstaattinen kenttä.

Kaikkien eristeiden erottuva piirre ei ole vain suuri vastus sähkövirran kulumiselle, joka määräytyy pienen määrän läsnäolon perusteella. elektroneja, liikkuvat vapaasti koko dielektrisen tilavuuden läpi, mutta myös niiden ominaisuuksien muutos sähkökentän vaikutuksesta, jota kutsutaan polarisaatioksi. Polarisaatiolla on suuri vaikutus eristeen sähkökenttään.

Yksi tärkeimmistä esimerkeistä eristeiden käytöstä sähkökäytännössä on sähkölaitteiden elementtien eristäminen maasta ja toisistaan, minkä vuoksi eristeen tuhoutuminen häiritsee sähköasennusten normaalia toimintaa ja johtaa onnettomuuksiin.
Tämän välttämiseksi sähkökoneiden ja -asennuksien suunnittelussa yksittäisten elementtien eristys valitaan siten, että toisaalta eristeiden kentänvoimakkuus ei ylitä niiden eristevoimakkuutta missään, ja toisaalta tämä eristys. laitteiden yksittäisissä liitännöissä käytetään mahdollisimman täysimääräisesti (ei ylimääräistä varastoa).
Tätä varten sinun on ensin tiedettävä, miten sähkökenttä jakautuu laitteessa, minkä jälkeen valitsemalla sopivat materiaalit ja niiden paksuus yllä oleva ongelma voidaan ratkaista tyydyttävästi.

Dielektrinen polarisaatio

Jos sähkökenttä syntyy tyhjiössä, niin kentänvoimakkuusvektorin suuruus ja suunta tietyssä pisteessä riippuvat vain kentän luovien varausten suuruudesta ja sijainnista. Jos kenttä luodaan johonkin dielektriseen aineeseen, niin jälkimmäisen molekyyleissä tapahtuu fysikaalisia prosesseja, jotka vaikuttavat sähkökenttään.

Sähkökenttävoimien vaikutuksesta kiertoradalla olevat elektronit siirtyvät kentän vastakkaiseen suuntaan. Tämän seurauksena aiemmin neutraaleista molekyyleistä tulee dipoleja, joilla on samat varaukset ytimessä ja elektroneissa kiertoradalla. Tätä ilmiötä kutsutaan dielektriseksi polarisaatioksi... Kun kenttä katoaa, myös siirtymä katoaa. Molekyylit muuttuvat jälleen sähköisesti neutraaleiksi.

Polarisoidut molekyylit - dipolit luovat oman sähkökentän, jonka suunta on päinvastainen kuin pääkentän (ulkoisen) kentän suunta, joten lisäkenttä, joka yhdistyy pääkentän kanssa, heikentää sitä.

Mitä polarisoituneempi eriste, sitä heikompi tuloksena oleva kenttä, sitä pienempi sen intensiteetti missä tahansa kohdassa samoilla varauksilla, jotka muodostavat pääkentän, ja siksi tällaisen eristeen dielektrisyysvakio on suurempi.

Jos eriste on vaihtuvassa sähkökentässä, myös elektronien siirtymä muuttuu vuorottelevaksi. Tämä prosessi johtaa hiukkasten liikkeen lisääntymiseen ja siten eristeen kuumenemiseen.

Mitä useammin sähkökenttä muuttuu, sitä enemmän eriste lämpenee. Käytännössä tätä ilmiötä käytetään lämmittämään kosteita materiaaleja niiden kuivaamiseksi tai saamaan aikaan kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat korkeissa lämpötiloissa.

Lue myös: Mikä on dielektrinen häviö sen vuoksi, mitä tapahtuu

Polaariset ja ei-polaariset dielektriset materiaalit

Vaikka eristeet eivät käytännössä johda sähköä, sähkökentän vaikutuksesta ne kuitenkin muuttavat ominaisuuksiaan. Molekyylien rakenteesta ja sähkökentän vaikutuksen luonteesta riippuen eristeet jaetaan kahteen tyyppiin: ei-polaarisiin ja polaarisiin (elektronisella ja orientaatiopolarisaatiolla).

Ei-polaarisissa dielektrikoissa, jos eivät sähkökentässä, elektronit pyörivät kiertoradalla, jonka keskus on samassa ytimessä. Siksi näiden elektronien toiminta voidaan nähdä ytimen keskellä sijaitsevien negatiivisten varausten vaikutuksena.Koska positiivisesti varautuneiden hiukkasten – protonien – toimintakeskukset ovat keskittyneet ytimen keskelle, ulkoavaruudessa atomi nähdään sähköisesti neutraalina.

Kun nämä aineet viedään sähköstaattiseen kenttään, elektronit siirtyvät kenttävoimien vaikutuksesta, eivätkä elektronien ja protonien toimintakeskukset kohtaa. Ulkoavaruudessa atomi nähdään tässä tapauksessa dipolina, toisin sanoen kahden samanlaisen eri pistevarauksen -q ja + q -järjestelmänä, jotka sijaitsevat toisistaan ​​tietyllä pienellä etäisyydellä a, joka on yhtä suuri kuin varauksen siirtymä. elektroniradan keskipiste suhteessa ytimen keskustaan.

Tällaisessa järjestelmässä positiivinen varaus osoittautuu siirtyneeksi kentänvoimakkuuden suuntaan, negatiivinen vastakkaiseen suuntaan. Mitä suurempi ulkoisen kentän voimakkuus, sitä suurempi on kunkin molekyylin varausten suhteellinen siirtymä.

Kun kenttä katoaa, elektronit palaavat alkuperäisiin liiketiloihinsa suhteessa atomiytimeen ja dielektristä tulee taas neutraali. Edellä olevaa muutosta eristeen ominaisuuksissa kentän vaikutuksesta kutsutaan elektronipolarisaatioksi.

Polaarisissa dielektrikissä molekyylit ovat dipoleja. Kaoottisessa lämpöliikkeessä dipolimomentti muuttaa sijaintiaan koko ajan, mikä johtaa yksittäisten molekyylien dipolien kenttien kompensaatioon ja siihen, että dielektrin ulkopuolella, kun ulkoista kenttää ei ole, ei ole makroskooppista ala.

Kun nämä aineet altistuvat ulkoiselle sähköstaattiselle kentällä, dipolit pyörivät ja kohdistavat akselinsa kenttää pitkin. Lämpöliike estää tämän täysin järjestetyn järjestelyn.

Pienellä kentänvoimakkuudella vain dipolien pyöriminen tapahtuu tietyssä kulmassa kentän suunnassa, mikä määräytyy sähkökentän toiminnan ja lämpöliikkeen vaikutuksen välisestä tasapainosta.

Kenttävoimakkuuden kasvaessa molekyylien pyöriminen ja vastaavasti polarisaatioaste kasvavat. Tällaisissa tapauksissa dipolivarausten välinen etäisyys a määräytyy dipoliakseleiden projektioiden keskiarvosta kentänvoimakkuuden suuntaan. Tämän tyyppisen polarisaation, jota kutsutaan orientaatioksi, lisäksi näissä dielektrikoissa on myös varausten siirtymien aiheuttama elektroninen polarisaatio.

Yllä kuvatut polarisaatiokuviot ovat perus kaikille eristysaineille: kaasumaisille, nestemäisille ja kiinteille. Nestemäisissä ja kiinteissä dielektrikoissa, joissa molekyylien keskimääräiset etäisyydet ovat pienemmät kuin kaasuissa, polarisaatioilmiö on monimutkainen, koska elektronin kiertoradan keskipisteen siirtymisen ytimeen nähden tai polaaristen dipolien pyörimisen lisäksi molekyylien välillä on myös vuorovaikutusta.

Koska eristeen massassa yksittäiset atomit ja molekyylit ovat vain polarisoituneita eivätkä hajoa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi, polarisoidun dielektrisen tilavuuden jokaisessa elementissä molempien etumerkkien varaukset ovat yhtä suuret. Siksi eriste pysyy koko tilavuudessaan sähköisesti neutraalina.

Poikkeuksia ovat eristeen rajapinnoilla olevien molekyylien napojen varaukset. Tällaiset varaukset muodostavat ohuita varautuneita kerroksia näille pinnoille. Homogeenisessa väliaineessa polarisaatioilmiö voidaan esittää dipolien harmonisena järjestelynä.

Eristeiden murtumislujuus

Normaaleissa olosuhteissa dielektrillä on mitätön sähkönjohtavuus… Tämä ominaisuus säilyy, kunnes sähkökentän voimakkuus kasvaa tiettyyn raja-arvoon jokaiselle eristeelle.

Voimakkaassa sähkökentässä eristeen molekyylit hajoavat ioneiksi ja kappaleesta, joka oli heikon kentän eriste, tulee johtime.

Sen sähkökentän voimakkuutta, josta dielektristen molekyylien ionisaatio alkaa, kutsutaan eristeen läpilyöntijännitteeksi (sähkövoimakkuuteen).

Sitä kutsutaan sähkökentän voimakkuuden suuruudeksi, joka sallitaan dielektrissä, kun sitä käytetään sähköasennuksissa sallittu jännite... Sallittu jännite on yleensä useita kertoja pienempi kuin katkaisujännite. Läpimurtojännitteen suhde sallittuun varmuusmarginaaliin määritetään... Parhaat ei-johteet (dielektrit) ovat tyhjiö ja kaasut, erityisesti korkeassa paineessa.

Dielektrinen vika

Hajoaminen tapahtuu eri tavalla kaasumaisissa, nestemäisissä ja kiinteissä aineissa ja riippuu useista olosuhteista: eristeen homogeenisuudesta, paineesta, lämpötilasta, kosteudesta, eristeen paksuudesta jne. Siksi eristeen lujuuden arvoa määritettäessä nämä ehtoja yleensä tarjotaan.

Esimerkiksi suljetuissa tiloissa työskenteleville materiaaleille, jotka eivät ole alttiina ilmakehän vaikutuksille, määritetään normaalit olosuhteet (esimerkiksi lämpötila + 20 ° C, paine 760 mm). Myös kosteus normalisoituu, joskus taajuus jne.

Kaasuilla on suhteellisen alhainen sähkölujuus. Joten ilman hajoamisgradientti normaaleissa olosuhteissa on 30 kV / cm.Kaasujen etuna on, että niiden eristysominaisuudet palautuvat nopeasti niiden tuhoutumisen jälkeen.

Nestemäisillä eristeillä on hieman suurempi sähkölujuus. Nesteiden erottuva piirre on hyvä lämmönpoisto laitteista, jotka kuumennetaan, kun virta kulkee johtojen läpi. Epäpuhtauksien, erityisesti veden, läsnäolo vähentää merkittävästi nestemäisten eristeiden dielektristä lujuutta. Nesteiden, kuten kaasujenkin, eristysominaisuudet palautuvat tuhoutumisen jälkeen.

Kiinteät eristeet edustavat laajaa luokkaa eristysmateriaaleja, sekä luonnollisia että keinotekoisia. Näillä dielektreillä on laaja valikoima sähköisiä ja mekaanisia ominaisuuksia.

Tämän tai toisen materiaalin käyttö riippuu tietyn asennuksen eristysvaatimuksista ja sen käyttöolosuhteista. Kiille, lasi, parafiini, eboniitti sekä erilaiset kuitu- ja synteettiset orgaaniset aineet, bakeliitti, getinaksi jne. Niille on ominaista korkea sähköinen lujuus.

Jos korkean murtumisgradientin vaatimuksen lisäksi materiaalille asetetaan vaatimus korkeasta mekaanisesta lujuudesta (esimerkiksi tuki- ja ripustuseristeissä laitteiden suojaamiseksi mekaaniselta rasitukselta), sähköposliinia käytetään laajalti.

Taulukossa on esitetty joidenkin yleisimpien eristeiden läpilyöntolujuusarvot (normaaliolosuhteissa ja vakiovakio nollalla).

Dielektriset murtumislujuuden arvot

Materiaali Häiriöjännite, kv / mm Parafiinilla kyllästetty paperi 10,0-25,0 Ilma 3,0 Mineraaliöljy 6,0 -15,0 Marmori 3,0 — 4,0 Mikaniitti 15,0 — 20,0 Sähköpahvi 9 ,0 — 14,0 — Kiille 9 ,0 — 14,0 — Kiille 20,0 — 0,0 20,0 0,0 20,0 s. 6,0 — 7,5 liuskekivi 1,5 – 3.0