Diëlektrica en hun eigenschappen, polarisatie en doorslagsterkte van diëlektrica

Stoffen (lichamen) met een verwaarloosbare elektrische geleidbaarheid worden diëlektrica of isolatoren genoemd.

Diëlektrica of niet-geleiders vertegenwoordigen een grote klasse stoffen die in de elektrotechniek worden gebruikt en die belangrijk zijn voor praktische doeleinden. Ze dienen om elektrische circuits te isoleren, maar ook om speciale eigenschappen te geven aan elektrische apparaten, waardoor het volume en het gewicht van de materialen waaruit ze zijn gemaakt vollediger kan worden benut.

Diëlektrica kunnen stoffen zijn in alle aggregatietoestanden: gasvormig, vloeibaar en vast. In de praktijk worden lucht, kooldioxide en waterstof gebruikt als gasvormige diëlektrica, zowel in normale als in gecomprimeerde toestand.

Al deze gassen hebben een bijna oneindige weerstand. De elektrische eigenschappen van gassen zijn isotroop. Van vloeibare stoffen, chemisch zuiver water, veel organische stoffen, natuurlijke en kunstmatige oliën (transformator olie, uil, enz.).

Vloeibare diëlektrica hebben ook isotrope eigenschappen.De hoge isolerende eigenschappen van deze stoffen zijn afhankelijk van hun zuiverheid.

Zo nemen de isolerende eigenschappen van transformatorolie af als er vocht uit de lucht wordt opgenomen. De meest gebruikte in de praktijk zijn vaste diëlektrica. Ze omvatten stoffen van anorganische (porselein, kwarts, marmer, mica, glas, enz.) en organische (papier, barnsteen, rubber, verschillende kunstmatige organische stoffen) oorsprong.

De meeste van deze stoffen hebben hoge elektrische en mechanische eigenschappen en worden gebruikt voor isolatie van elektrische apparatenbedoeld voor intern en extern gebruik.

Een aantal stoffen behouden hun hoge isolerende eigenschappen niet alleen bij normale maar ook bij verhoogde temperaturen (silicium, kwarts, silicium-siliciumverbindingen). Vaste en vloeibare diëlektrica hebben een bepaalde hoeveelheid vrije elektronen, daarom is de weerstand van een goed diëlektricum ongeveer 1015 - 1016 ohm x m.

Onder bepaalde omstandigheden vindt de scheiding van moleculen in ionen plaats in diëlektrica (bijvoorbeeld onder invloed van hoge temperatuur of in een sterk veld), in dit geval verliezen diëlektrica hun isolerende eigenschappen en worden chauffeurs.

Diëlektrica hebben de eigenschap gepolariseerd te zijn en daarin is een langdurig bestaan ​​mogelijk. elektrostatisch veld.

Een onderscheidend kenmerk van alle diëlektrica is niet alleen de hoge weerstand tegen de doorgang van elektrische stroom, bepaald door de aanwezigheid daarin van een klein aantal elektronen, vrij bewegen door het gehele volume van het diëlektricum, maar ook een verandering in hun eigenschappen onder invloed van een elektrisch veld, dat polarisatie wordt genoemd. Polarisatie heeft een groot effect op het elektrische veld in een diëlektricum.

Een van de belangrijkste voorbeelden van het gebruik van diëlektrica in de elektrische praktijk is de isolatie van elementen van elektrische apparaten van de grond en van elkaar, waardoor de vernietiging van de isolatie de normale werking van elektrische installaties verstoort en tot ongevallen leidt.
Om dit te voorkomen wordt bij het ontwerpen van elektrische machines en installaties de isolatie van de afzonderlijke elementen zo gekozen dat enerzijds de veldsterkte in de diëlektrica nergens groter wordt dan hun diëlektrische sterkte en anderzijds deze isolatie in de individuele aansluitingen van de apparaten wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt (geen overtollige voorraad).
Om dit te doen, moet u eerst weten hoe het elektrische veld in het apparaat is verdeeld.Vervolgens, door de juiste materialen en hun dikte te kiezen, kan het bovenstaande probleem naar tevredenheid worden opgelost.

Diëlektrische polarisatie

Als een elektrisch veld in een vacuüm wordt gecreëerd, hangt de grootte en richting van de veldsterktevector op een bepaald punt alleen af ​​​​van de grootte en locatie van de ladingen die het veld creëren. Als het veld in een diëlektricum wordt gecreëerd, vinden er fysieke processen plaats in de moleculen van de laatste die het elektrische veld beïnvloeden.

Onder invloed van elektrische veldkrachten worden elektronen in banen verplaatst in de richting tegengesteld aan het veld. Dientengevolge worden voorheen neutrale moleculen dipolen met gelijke ladingen op de kern en elektronen in de banen. Dit fenomeen wordt diëlektrische polarisatie genoemd. Wanneer het veld verdwijnt, verdwijnt ook de verplaatsing. De moleculen worden weer elektrisch neutraal.

Gepolariseerde moleculen - dipolen creëren hun eigen elektrisch veld, waarvan de richting tegengesteld is aan de richting van het (externe) hoofdveld, daarom verzwakt het extra veld, gecombineerd met het hoofdveld.

Hoe meer gepolariseerd het diëlektricum, hoe zwakker het resulterende veld, hoe lager de intensiteit op elk punt voor dezelfde ladingen die het hoofdveld creëren, en daarom is de diëlektrische constante van zo'n diëlektricum groter.

Als het diëlektricum zich in een wisselend elektrisch veld bevindt, wordt de verplaatsing van de elektronen ook alternerend. Dit proces leidt tot een toename van de beweging van deeltjes en daardoor tot opwarming van het diëlektricum.

Hoe vaker het elektrische veld verandert, hoe meer het diëlektricum opwarmt. In de praktijk wordt dit fenomeen gebruikt om natte materialen te verwarmen om ze te drogen of om chemische reacties te verkrijgen die optreden bij verhoogde temperaturen.

Lees ook: Wat is diëlektrisch verlies vanwege wat er gebeurt

Polaire en niet-polaire diëlektrica

Hoewel diëlektrica praktisch geen elektriciteit geleiden, veranderen ze toch onder invloed van een elektrisch veld van eigenschappen. Afhankelijk van de structuur van de moleculen en de aard van het effect daarop van het elektrische veld, zijn diëlektrica verdeeld in twee typen: niet-polair en polair (met elektronische en oriëntatiepolarisatie).

In niet-polaire diëlektrica, zo niet in een elektrisch veld, draaien de elektronen in banen met een centrum dat samenvalt met het centrum van de kern. Daarom kan de werking van deze elektronen worden gezien als de werking van negatieve ladingen die zich in het centrum van de kern bevinden.Omdat de centra van actie van positief geladen deeltjes - protonen - geconcentreerd zijn in het centrum van de kern, wordt het atoom in de ruimte gezien als elektrisch neutraal.

Wanneer deze stoffen in het elektrostatische veld worden gebracht, worden de elektronen onder invloed van de veldkrachten verplaatst en vallen de actiecentra van de elektronen en protonen niet samen. In de ruimte wordt het atoom in dit geval waargenomen als een dipool, dat wil zeggen als een systeem van twee gelijke verschillende puntladingen -q en + q, die zich van elkaar bevinden op een bepaalde kleine afstand a, gelijk aan de verplaatsing van de middelpunt van de elektronenbaan ten opzichte van het middelpunt van de kern.

In zo'n systeem blijkt de positieve lading verplaatst te worden in de richting van de veldsterkte, de negatieve in de tegenovergestelde richting. Hoe groter de sterkte van het externe veld, hoe groter de relatieve verplaatsing van de ladingen in elk molecuul.

Wanneer het veld verdwijnt, keren de elektronen terug naar hun oorspronkelijke bewegingstoestanden ten opzichte van de atoomkern en wordt het diëlektricum weer neutraal. De bovenstaande verandering in de eigenschappen van een diëlektricum onder invloed van een veld wordt elektronische polarisatie genoemd.

In polaire diëlektrica zijn de moleculen dipolen. Omdat het in chaotische thermische beweging is, verandert het dipoolmoment de hele tijd van positie.Dit leidt tot de compensatie van de velden van de dipolen van individuele moleculen en tot het feit dat er buiten het diëlektricum, wanneer er geen extern veld is, geen macroscopisch is veld.

Wanneer deze stoffen worden blootgesteld aan een extern elektrostatisch veld, zullen de dipolen roteren en hun assen langs het veld positioneren. Deze volledig geordende opstelling wordt gehinderd door thermische beweging.

Bij lage veldsterkte vindt alleen rotatie van de dipolen plaats onder een bepaalde hoek in de richting van het veld, die wordt bepaald door de balans tussen de werking van het elektrische veld en het effect van thermische beweging.

Naarmate de veldsterkte toeneemt, neemt de rotatie van de moleculen en daarmee de mate van polarisatie toe. De afstand a tussen de dipoolladingen wordt dan bepaald door de gemiddelde waarde van de projecties van de dipoolassen op de richting van de veldsterkte. Naast dit type polarisatie, dat oriënterend wordt genoemd, is er ook een elektronische polarisatie in deze diëlektrica die wordt veroorzaakt door de verplaatsing van ladingen.

De hierboven beschreven polarisatiepatronen zijn basis voor alle isolerende stoffen: gasvormig, vloeibaar en vast. In vloeibare en vaste diëlektrica, waar de gemiddelde afstanden tussen moleculen kleiner zijn dan in gassen, is het fenomeen van polarisatie gecompliceerd, omdat naast de verschuiving van het midden van de elektronenbaan ten opzichte van de kern of de rotatie van de polaire dipolen, er is ook een interactie tussen de moleculen.

Aangezien in de massa van een diëlektricum individuele atomen en moleculen alleen gepolariseerd zijn en niet uiteenvallen in positief en negatief geladen ionen, zijn in elk element van het volume van een gepolariseerd diëlektricum de ladingen van beide tekens gelijk. Daarom blijft het diëlektricum door het hele volume elektrisch neutraal.

Uitzonderingen zijn de ladingen van de polen van de moleculen die zich op de grensvlakken van het diëlektricum bevinden. Dergelijke ladingen vormen op deze oppervlakken dunne geladen lagen. In een homogeen medium kan het fenomeen polarisatie worden weergegeven als een harmonische opstelling van dipolen.

De doorslagsterkte van diëlektrica

Onder normale omstandigheden heeft het diëlektricum verwaarloosbare elektrische geleidbaarheid… Deze eigenschap blijft bestaan ​​totdat de elektrische veldsterkte voor elk diëlektricum wordt verhoogd tot een bepaalde grenswaarde.

In een sterk elektrisch veld splitsen de moleculen van het diëlektricum zich in ionen en wordt het lichaam, dat een diëlektricum was in een zwak veld, een geleider.

De sterkte van het elektrische veld waarbij de ionisatie van diëlektrische moleculen begint, wordt de doorslagspanning (elektrische sterkte) van het diëlektricum genoemd.

Het wordt de grootte van de elektrische veldsterkte genoemd die is toegestaan ​​in een diëlektricum wanneer het wordt gebruikt in elektrische installaties toegestane spanning... De toegestane spanning is meestal meerdere malen lager dan de breekspanning. De verhouding van de doorslagspanning tot de toegestane veiligheidsmarge wordt bepaald... De beste niet-geleiders (diëlektrica) zijn vacuüm en gassen, vooral bij hoge druk.

Diëlektrische storing

Doorslag vindt anders plaats in gasvormige, vloeibare en vaste stoffen en is afhankelijk van een aantal omstandigheden: van de homogeniteit van het diëlektricum, druk, temperatuur, vochtigheid, dikte van het diëlektricum, etc. Bij het bepalen van de waarde van de diëlektrische sterkte worden daarom deze voorwaarden worden meestal gegeven.

Voor materialen die bijvoorbeeld in gesloten ruimtes werken en niet worden blootgesteld aan atmosferische invloeden, worden normale omstandigheden vastgesteld (bijvoorbeeld temperatuur + 20 ° C, druk 760 mm). Vochtigheid normaliseert ook, soms frequentie, etc.

Gassen hebben een relatief lage elektrische sterkte. Dus de afbraakgradiënt van lucht onder normale omstandigheden is 30 kV / cm.Het voordeel van gassen is dat hun isolerende eigenschappen na hun vernietiging snel worden hersteld.

Vloeibare diëlektrica hebben een iets hogere elektrische sterkte. Een onderscheidend kenmerk van vloeistoffen is de goede afvoer van warmte van apparaten die worden verwarmd wanneer de stroom door de draden gaat. De aanwezigheid van onzuiverheden, in het bijzonder water, vermindert de diëlektrische sterkte van vloeibare diëlektrica aanzienlijk. In vloeistoffen, zoals in gassen, worden hun isolerende eigenschappen hersteld na vernietiging.

Vaste diëlektrica vertegenwoordigen een brede klasse van isolatiematerialen, zowel natuurlijk als door de mens gemaakt. Deze diëlektrica hebben een grote verscheidenheid aan elektrische en mechanische eigenschappen.

Het gebruik van dit of dat materiaal hangt af van de isolatie-eisen van de gegeven installatie en de bedrijfsomstandigheden. Mica, glas, paraffine, eboniet, evenals verschillende vezelachtige en synthetische organische stoffen, bakeliet, getinax, enz. Ze worden gekenmerkt door een hoge elektrische sterkte.

Als naast de eis van een hoge doorslaggradiënt ook een eis van hoge mechanische sterkte aan het materiaal wordt opgelegd (bijvoorbeeld in steun- en ophangisolatoren om apparatuur tegen mechanische spanning te beschermen), wordt elektrisch porselein veel gebruikt.

De tabel toont de doorslagsterktewaarden (onder normale omstandigheden en bij een constante constante nul) van enkele van de meest voorkomende diëlektrica.

Waarden voor diëlektrische doorslagsterkte

Materiaal Doorslagspanning, kv / mm Papier geïmpregneerd met paraffine 10,0-25,0 Lucht 3,0 Minerale olie 6,0 -15,0 Marmer 3,0 — 4,0 Mikaniet 15,0 — 20,0 Elektrisch karton 9 ,0 — 14,0 Mica 80,0 — 200,0 Glas 10,0 — 40,0 Porselein 6,0 — 7,5 Leisteen 1 .5 — 3.0