Самый лучший диэлектрик

ДИЭЛЕ́КТРИКИ

Самый лучший диэлектрик

Авторы: А. П. Леванюк, Д. Г. Санников

ДИЭЛЕ́КТРИКИ, ве­ще­ст­ва, пло­хо про­во­дя­щие элек­трич. ток. Тер­мин «Д.» вве­дён М. Фа­ра­де­ем для обо­зна­че­ния ве­ществ, в ко­то­рые про­ни­ка­ет элек­тро­ста­тич. по­ле. При по­ме­ще­нии в элек­трич. по­ле лю­бо­го ве­ще­ст­ва элек­тро­ны и атом­ные яд­ра ис­пы­ты­ва­ют си­лы со сто­ро­ны это­го по­ля.

В ре­зуль­та­те часть за­ря­дов на­прав­лен­но пе­ре­ме­ща­ет­ся, соз­да­вая элек­трич. ток. Ос­таль­ные же за­ря­ды пе­ре­рас­пре­де­ля­ют­ся так, что «цен­тры тя­же­сти» по­ло­жи­тель­ных и от­ри­ца­тель­ных за­ря­дов сме­ща­ют­ся от­но­си­тель­но друг дру­га. В по­след­нем слу­чае го­во­рят о по­ля­ри­за­ции ве­ще­ст­ва.

В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кой из этих двух про­цес­сов (по­ля­ри­за­ция или элек­трич. про­во­ди­мость) пре­об­ла­да­ет, ве­ще­ст­ва де­лят на Д. (все не­ио­ни­зо­ван­ные га­зы, не­ко­то­рые жид­ко­сти и твёр­дые те­ла) и про­вод­ни­ки (ме­тал­лы, элек­тро­ли­ты, плаз­ма). Элек­трич. про­во­ди­мость Д. по срав­не­нию с ме­тал­ла­ми очень ма­ла.

Удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние Д. 108–1017 Ом·см, ме­тал­лов – 10–6–10–4 Ом·см.

Ко­ли­че­ст­вен­ное раз­ли­чие в элек­трич. про­во­ди­мо­сти Д. и ме­тал­лов клас­сич. фи­зи­ка пы­та­лась объ­яс­нить тем, что в ме­тал­лах есть сво­бод­ные элек­тро­ны, в то вре­мя как в Д. все элек­тро­ны свя­за­ны (при­над­ле­жат отд. ато­мам) и элек­трич. по­ле не от­ры­ва­ет, а лишь слег­ка сме­ща­ет их.

Кван­то­вая тео­рия твёр­до­го те­ла объ­яс­ня­ет раз­ли­чие элек­трич. свойств ме­тал­лов и Д. разл. рас­пре­де­ле­ни­ем элек­тро­нов по энер­ге­тич. уров­ням. В Д. верх­ний за­пол­нен­ный элек­тро­на­ми энер­ге­тич.

уро­вень сов­па­да­ет с верх­ней гра­ни­цей од­ной из раз­ре­шён­ных зон (в ме­тал­лах он ле­жит внут­ри раз­ре­шён­ной зо­ны), а бли­жай­шие сво­бод­ные уров­ни от­де­ле­ны от за­пол­нен­ных за­пре­щён­ной зо­ной, пре­одо­леть ко­то­рую под дей­ст­ви­ем не слиш­ком силь­ных элек­трич. по­лей элек­тро­ны не мо­гут (см. Зон­ная тео­рия).

Дей­ст­вие элек­трич. по­ля сво­дит­ся к пе­ре­рас­пре­де­ле­нию элек­трон­ной плот­но­сти, ко­то­рое при­во­дит к по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка.

Поляризация диэлектриков

Ме­ха­низ­мы по­ля­ри­за­ции Д. за­ви­сят от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи, т. е. рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в Д. В ион­ных кри­стал­лах (напр.

, NaCl) по­ля­ри­за­ция яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том сдви­га ио­нов от­но­си­тель­но друг дру­га (ион­ная по­ля­ри­за­ция), а так­же де­фор­ма­ции элек­трон­ных обо­ло­чек отд. ио­нов (элек­трон­ная по­ля­ри­за­ция), т. е. сум­мой ион­ной и элек­трон­ной по­ля­ри­за­ций. В кри­стал­лах с ко­ва­лент­ной свя­зью (напр.

, ал­маз), где элек­трон­ная плот­ность рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­на ме­ж­ду ато­ма­ми, по­ля­ри­за­ция обу­слов­ле­на гл. обр. сме­ще­ни­ем элек­тро­нов, осу­ще­ст­в­ляю­щих хи­мич. связь. В т. н. по­ляр­ных Д. (напр., твёр­дый H2S) груп­пы ато­мов пред­став­ля­ют со­бой элек­трич.

ди­по­ли, ко­то­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­ти­че­ски в от­сут­ст­вии элек­трич. по­ля, а в по­ле при­об­ре­та­ют пре­иму­ще­ст­вен­ную ори­ен­та­цию. Та­кая ори­ен­та­ци­он­ная по­ля­ри­за­ция ти­пич­на для мн. жид­ко­стей и га­зов. По­хо­жий ме­ха­низм по­ля­ри­за­ции cвязан с «пе­ре­ско­ком» под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля отд.

ио­нов из од­них по­ло­же­ний рав­но­ве­сия в ре­шёт­ке в дру­гие. Осо­бен­но час­то та­кой ме­ха­низм на­блю­да­ет­ся в ве­ще­ст­вах с во­до­род­ной свя­зью (напр., лёд), где ато­мы во­до­ро­да име­ют неск. по­ло­же­ний рав­но­ве­сия.

По­ля­ри­за­ция Д. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся век­то­ром по­ля­ри­за­ции $\boldsymbol P$, ко­то­рый пред­став­ля­ет со­бой элек­трич. ди­поль­ный мо­мент еди­ни­цы объ­ё­ма Д.:$$\boldsymbol P=\sum\limitsN_{i=1}\boldsymbol P_i$$ где $p_i$ – ди­поль­ные мо­мен­ты час­тиц (ато­мов, ио­нов, мо­ле­кул), $N$ – чис­ло час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма.

Век­тор $\boldsymbol P$ за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$. В сла­бых по­лях $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$. Ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти $ϰ$ на­зы­ва­ет­ся ди­элек­трической вос­при­им­чи­во­стью. Час­то вме­сто век­то­ра $\boldsymbol P$ ис­поль­зу­ют век­тор элек­трич.

ин­дук­ции $$\boldsymbol D=ε_0\boldsymbol E+\boldsymbol P=ε_0ε\boldsymbol E \text{ (в СИ)},\tag1$$где $ε$  – ди­элек­три­че­ская про­ни­цае­мость, $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Ве­ли­чи­ны $ϰ$ и $ε$ – осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Д. В ани­зо­троп­ных Д. (напр.

, в не­ку­би­че­ских кри­стал­лах) на­прав­ле­ние $\boldsymbol P$ оп­ре­де­ля­ет­ся не толь­ко на­прав­ле­ни­ем по­ля $\boldsymbol E$, но и на­прав­ле­ни­ем осей сим­мет­рии кри­стал­ла. По­это­му век­тор $\boldsymbol P$ бу­дет со­став­лять разл. уг­лы с век­то­ром $\boldsymbol E$ в за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции $\boldsymbol E$ по от­но­шению к осям сим­мет­рии кри­стал­ла.

В этом слу­чае век­тор $\boldsymbol D$ бу­дет оп­ре­де­лять­ся че­рез век­тор $\boldsymbol E$ с по­мо­щью не од­ной ве­ли­чи­ны $ε$, а не­сколь­ких (в об­щем слу­чае шес­ти), об­ра­зую­щих тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти.

Диэлектрики в переменном поле

Ес­ли по­ле $\boldsymbol E$ из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни $t$, то по­ля­ри­за­ция Д. не ус­пе­ва­ет сле­до­вать за ним, т. к. сме­ще­ния за­ря­дов не мо­гут про­ис­хо­дить мгно­вен­но. По­сколь­ку лю­бое пе­ре­мен­ное по­ле мож­но пред­ста­вить в ви­де со­во­куп­но­сти по­лей, ме­няю­щих­ся по гар­мо­нич. за­ко­ну, то дос­та­точ­но изу­чить по­ве­де­ние Д.

в по­ле $\boldsymbol E= E_0\sin ωt$, где $ω$ – час­то­та пе­ре­мен­но­го по­ля, $\boldsymbol E_0$ – ам­пли­ту­да на­пря­жён­но­сти по­ля. Под дей­ст­ви­ем это­го по­ля $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol P$ бу­дут ко­ле­бать­ся то­же гар­мо­ни­че­ски и с той же час­то­той.

Од­на­ко ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol E$ по­яв­ля­ет­ся раз­ность фаз $δ$, что вы­зва­но от­ста­ва­ни­ем по­ля­ризации $\boldsymbol P$ от по­ля $\boldsymbol E$. Гар­мо­нич. за­кон мож­но пред­ста­вить в ком­плекс­ном виде $\boldsymbol E=\boldsymbol E_0е{iωt},$ то­гда $\boldsymbol D=\boldsymbol D_0е{iωt},$ причём $\boldsymbol D_0=ε(ω)\boldsymbol E_0$.

Ди­элек­трич. про­ни­цае­мость в этом слу­чае яв­ля­ет­ся ком­плекс­ной ве­ли­чи­ной: $ε(ω)=ε′+iε″;$ $ε′$ и $ε″$ за­ви­сят от час­то­ты пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­ля $ω$.

Аб­со­лют­ная ве­ли­чи­на $$|ε(ω)|=\sqrt {ε′2+ε″2}$$ оп­ре­де­ля­ет ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ния $D$, а от­но­ше­ние $ε′/ε″=\mathrm{tg} \delta $ – раз­ность фаз ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol E$. Ве­ли­чи­на $δ$ на­зы­ва­ет­ся уг­лом ди­элек­три­че­ских по­терь. В по­сто­ян­ном элек­трич. по­ле $ω=0, ε″=0, ε′=ε$.

В пе­ре­мен­ных элек­трич. по­лях вы­со­ких час­тот свой­ст­ва Д. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся по­ка­за­те­ля­ми пре­лом­ле­ния $n$ и по­гло­ще­ния $

Диэлектрики: что это такое, примеры

Самый лучший диэлектрик
Определение 1

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015−1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Определение 2

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся.

В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды.

Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках.

Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния.

В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Диэлектрики состоят либо из нейтральных молекул, либо из закрепленных в положении равновесия, к примеру, в узлах кристаллической решетки заряженных ионов. Ионные кристаллические решетки могут быть разбиты на, в целом, нейтральные «элементарные ячейки».

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места.

В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

Определение 3

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой – отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Определение 4

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

Определение 5

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O2, N2, в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы.

По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы).

У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H2O, CO) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая – отрицательной.

В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов.

При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов.

Значения объемной плотность зарядов (ρ) и поверхностной плотности (σ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ≠0, а в некоторых случаях и ρ≠0. Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком.

В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля En→≠0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Определение 6

Поляризованность P→ или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

P→=∆ρ→∆V,

где ∆ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

Определение 7

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Nρ0→,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △V. N – концентрация молекул,
ρ0→ является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ0→↑↑E→.

Определение 8

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→,

в котором P→ представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Определение 9

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P→=1∆V∑∆Vρi→=Np→.

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Пример 1

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1, то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой – отрицательный.

По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика.

Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

Рисунок 1

+q,−q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E→ является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

−q′, +q′- это заряды диэлектрика.

E→' – напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

Теорема 1

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

E→'=E→ε,

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E→=14πεε0qr3r→.

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F→=14πεε0q1q2r3r→.

Пример 2

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E=200 Вм, направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2. Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

E→'=E→ε.

Произведем некоторые расчеты:

E→'=2002=100 Вм.

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 Вм.

Пример 3

Задание: Заряженные шарики обладают массойm1=m2=m. Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q1 и q2( смотри рисунок 1).

Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε1), после этого погружаются в жидкость ε2.

Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε2ε1, если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρshρd=b.

Решение

Рисунки 2 и 3

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

Fe1→+mg→+N1→=0.

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

Fe2→+mg→+N2→+FA→=0.

Запишем проекции уравнения Fe1→+mg→+N1→=0 на оси:

Ох: Fe1-N1sina2=0,

Oy: mg-N1cosα2=0.

Проекции уравнения Fe2→+mg→+N2→+FA→=0 на оси:

Ох: Fe2-N2sinα2=0,

Oy: mg-N2cosα2-FA=0.

Берем отношение уравнения Fe1-N1sina2=0 и mg-N1cosa2=0, в качестве результата получаем:

tga2=Fe1mg.

Уравнение Fe2-N2sina2=0 на уравнение mg-N2cosa2-FA=0, получаем:

tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA.

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для Fe1, Fe2:

Fe1=q1q24πε1ε0r2 и Fe2=q1q24πε2ε0r2.

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

FA=ρdVg=ρdmρshg.

Подставим в уравнение tga2=Fe2mg-FA→Fe1mg=Fe2mg-FA уравнения  Fe1=q1q24πε1ε0r2 и

Fe2=q1q24πε2ε0r2, в результате получим:

q1q24πε1ε0r2mg=q1q24πε2ε0r2mg-ρdmρshg→1ε11=1ε21-ρdρsh→ε2ε1=11-ρdρsh=11-b.

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε2e1=11-b.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Электроизоляционные материалы: классификация, применение, свойства и характеристики

Самый лучший диэлектрик

Любое электрическое оборудование, включая генераторы, силовые установки и распределительные устройства, состоит из токоведущих частей. Для надежной и безопасной эксплуатации последние должны быть защищены друг от друга и от воздействия окружающих компонентов. В этих целях используются электроизоляционные материалы.

Важно, чтобы обмотка на якоре была отделена от его сердечника, виток возбуждения – от аналогичной детали, полюсов и каркаса агрегата. Материалы, которые применяются для изоляции чего-либо от воздействия электрического тока, называются диэлектриками. Стоит отметить, что такие изделия бывают двух типов – одни абсолютно не пропускают ток, другие – хоть и делают это, но в мизерных количествах.

При создании подобных материалов применяют органические и неорганические элементы вкупе с различными добавками, необходимыми при пропитке и склеивании.

В последнее время широкую популярность набирает жидкая изоляция для проводов, часто используемая в выключателях и трансформаторах (например, трансформаторное масло).

Не реже в электротехническом оборудовании применяют газообразные диэлектрики, вплоть до обычного воздуха.

Электроизоляционные материалы и сферы их применения

К основным областям применения электроизоляционных материалов можно отнести различные промышленные ветви, радиотехнику, приборостроение и монтаж электрических сетей. Диэлектрики – это основные элементы, от которых зависит безопасность и стабильность работы любого электроприбора. На качество и функциональность изоляции влияют различные параметры.

Таким образом, главная причина применения электроизоляции – соблюдение правил безопасности. В соответствии с ними строго запрещено эксплуатировать оборудование с частично или полностью отсутствующей изоляцией, поврежденной оболочкой, поскольку даже малые токи могут нанести вред человеческому организму.

Свойства диэлектриков

Для того чтобы гарантировать выполнение важных функций, электроизоляционные изделия должны обладать необходимыми свойствами. Основное отличие диэлектрика от проводника – намного большее удельное сопротивление (100-1100 Ом*см).

С другой стороны, их электрическая проводимость в 14-15 раз ниже токоведущих жил.

Связано это с природным происхождением изоляционных материалов, в составе которых намного меньше свободных отрицательных электронов и положительно заряженных ионов, влияющих на токопроводимость.

Важно! Несмотря на последнее высказывание, при нагревании любого диэлектрика количество ионов и электронов существенно возрастает, из-за чего повышается электрическая проводимость и возникает риск пробоя током.

Все свойства диэлектриков можно разделить на две основные группы – активные и пассивные, при этом вторая является наиболее важной.

К пассивным относится диэлектрическая проницаемость: чем меньше ее значение, тем более надежным и качественным является изолятор, поскольку он не оказывает негативного влияния на электрическую схему и не добавляет паразитные емкости.

С другой стороны, если изделие эксплуатируется в роли диэлектрического конденсатора, то проницаемость должна быть максимально высокой (паразитные емкости в данном случае важны).

Параметры изоляции

К числу основных относятся:

  • электропрочность;
  • удельное электрическое сопротивление;
  • относительная проницаемость;
  • угол диэлектрических потерь.

Оценивая качество и эффективность диэлектриков, и сравнивая их свойства, нужно выявить зависимость перечисленных параметров от значений тока и напряжения.

По сравнению с проводниками электроизоляционные компоненты имеют повышенную электрическую прочность.

Учитывая сказанное выше, не менее важным является то, насколько хорошо изоляторы сохраняют свои полезные свойства и удельные величины при нагревании, увеличении напряжения и других воздействиях.

Классификация диэлектрических материалов

Выбор того или иного изоляционного материала зависит от мощности тока, протекающего по проводникам оборудования.

Существует несколько критериев для классификации диэлектриков, но наиболее важными являются два – агрегатное состояние и происхождение.

Для изоляции шнуров бытовых электроприборов используют твердые изоляторы, трансформаторов и прочего высокомощного оборудования – жидкие и газообразные.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию выделяют три типа диэлектрических материалов – твердые, жидкие и газообразные.

Твердые диэлектрики

Электроизоляционные материалы данного типа считаются наиболее распространенными и популярными, используются практически во всех сферах, где присутствует оборудование с токоведущими частями. Их качество зависит от некоторых химических свойств, при этом диэлектрическая проницаемость может быть совершенно разной – 10-50 000 (безразмерная величина).

Твердые изоляторы бывают полярными, неполярными и сегнетоэлектрическими. Главное отличие трех разновидностей – принцип поляризации. Основными свойствами данных материалов являются химическая стойкость, трекингостойкость и дендритостойкость.

От химической стойкости зависят возможности диэлектрика противостоять воздействию агрессивной среды – кислотам, щелочам, активным жидкостям. Трекингостойкость влияет на защиту от электрической дуги, дендритостойкость – от появления дендритов.

Керамические изоляторы эксплуатируют как линейные и проходные диэлектрики в составе подстанций. Для защиты бытовых электрических приборов могут применяться текстолиты, полимеры и бумажные изделия, промышленного оборудования – лаки, картон и различные компаунды.

Сочетая несколько разных материалов, производителям диэлектриков удается получить особые свойства изделия. Благодаря этому повышается устойчивость к нагреву, воздействию влаги, экстремально низких температур и даже радиации.

Наличие нагревостойкости говорит о том, что изолятор способен выдерживать высокие температуры, но в каждом отдельном случае максимальная планка будет разной (она может достигать и 200, и 700 град. Цельсия).

К числу таковых относятся стеклотекстолитовые, органосиликатные и некоторые полимерные материалы. Фторопластовые диэлектрики устойчивы к воздействию влаги, могут эксплуатироваться в тропиках.

Вообще фторопласт не только гидрофобен, но еще и негигроскопичен.

Если в состав электротехнического оборудования включены атомные элементы, то важно использовать изоляцию, устойчивую к радиоактивному фону. На помощь приходят неорганические пленки, часть полимеров, стеклотекстолиты и различные слюдинитовые изделия.

К морозостойким диэлектрикам относятся компоненты, сохраняющие свои удельные свойства при температуре до -90 град. Цельсия. Наконец, в электроприборах, эксплуатируемых в космосе, применяются изоляционные материалы с повышенной вакуумной плотностью (например, керамика).

Жидкие диэлектрики

Диэлектрики в подобном агрегатном состоянии зачастую эксплуатируются в промышленном электрооборудовании.

Наиболее ярким примером являются трансформаторы, для безопасной работы которых требуется специальное масло.

К числу жидких диэлектриков можно отнести сжиженный газ, парафиновое или вазелиновое масло, спреи, дистиллированную воду, которая была очищена от солей и других примесей.

Жидкие электроизоляционные материалы описываются следующими технико-эксплуатационными характеристиками:

  • диэлектрическая проницаемость;
  • электропрочность;
  • электропроводность.

Величина физических параметров жидких диэлектриков зависит от степени их чистоты (загрязнения).

Наличие твердых примесей в воде или масле приводит к существенному повышению электрической проводимости, что связано с увеличением числа свободных электронов и ионов.

Жидкости очищаются разными методами, начиная от дистилляции и заканчивая ионным обменом. После выполнения данного процесса повышается электропрочность материала и снижается его электропроводность.

Жидкие электроизоляторы можно разделить на три основные группы:

  1. Из нефти изготавливают трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.
  2. Синтетические жидкости активно применяются в промышленном приборостроении. К их числу можно отнести соединения на основе фтор- и кремнийорганики. Кремнийорганические материалы способны выдерживать сильные морозы, они относятся к числу гигроскопичных, поэтому могут применяться в малых трансформаторах. С другой стороны, стоимость таких соединений намного выше, чем у нефтяных масел.
  3. Растительные жидкости крайне редко используются при изготовлении электроизоляции. Речь идет о касторовом, льняном, конопляном и других маслах. Все перечисленные вещества считаются слабополярными диэлектриками, поэтому могут применяться только для пропитки бумажных конденсаторов или для образования пленки в электроизоляционных лаках и красках.

Газообразные диэлектрики

Самыми популярными газообразными диэлектриками считаются электротехнический газ, азот, водород и воздух. Все они могут быть разделены на две категории – естественные и искусственные. К первым относится воздух, который часто эксплуатируют в качестве диэлектрика для защиты токоведущих частей линий электрической передачи и машин.

Наряду с преимуществами, есть у воздуха недостатки, из-за чего он не подходит для эксплуатации в герметичном оборудовании. Поскольку в его состав входит большое содержание кислорода, то данный газ является окислителем, поэтому в неоднородном поле существенно снижается электрическая прочность.

Азот – отличный вариант для изоляции силовых трансформаторов и высоковольтных линий электропередач. Помимо хороших изоляционных свойств, водород способен принудительно охлаждать оборудование, поэтому зачастую применяется в высокомощных электромашинах.

Для герметизированных установок подойдет электротехнический газ, при использовании которого снижается взрывоопасность любых агрегатов. Электротехнический газ часто эксплуатируется в высоковольтных выключателях, что обусловлено способностью к гашению электрической дуги.

Классификация по происхождению

По происхождению диэлектрики делятся на органические и неорганические.

Органические диэлектрики

Органические электроизоляционные изделия можно разделить на естественные и синтетические. Все материалы, относящиеся к первой категории, в последнее время практически не эксплуатируются, что связано с увеличением производственных мощностей синтетических диэлектриков, стоимость которых намного ниже.

Естественными диэлектриками являются растительные масла, парафин, целлюлоза и каучук. К синтетическим материалам можно отнести пластмассы и эластомеры разных типов, применяемые в бытовых приборах и другой электротехники.

Неорганические диэлектрики

Электроизоляционные материалы неорганического типа бывают естественные и искусственными. Из компонентов природного происхождения можно выделить слюду с большой устойчивостью к воздействию химически активных веществ и высоких температур. Не менее популярными являются мусковит и флогопит.

Искусственные диэлектрики – стекло в чистом или разбавленном видах, фарфор и керамика. Материалам данной категории зачастую придают особые свойства, добавляя в их состав различные компоненты. Если изолятор проходной, то нужно применять полевошпатовую керамику с большим тангенсом диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые диэлектрики эксплуатируются для защиты различного оборудования. К числу таковых относятся каучук, целлюлоза, различные ткани, нейлоновые и капроновые изделия, полистирол и полиамид.

Органические волокнистые диэлектрики имеют высокую гигроскопичность, поэтому практически никогда не используются без специальной пропитки. В последние годы вместо органических изоляторов применяют синтетические волокнистые изделия с ярко выраженной нагревостойкостью.

В качестве примера можно выделить стеклянные волокна и асбест: первые пропитываются лаками и смолами, улучшающими гидрофобность, вторые характеризуются минимальной прочностью, поэтому в их состав добавляют хлопчатобумажные элементы. Речь идет о материалах, которые не плавятся при нагреве.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкости диэлектриков указывается буквой латинского алфавита. Перечислим основные из них:

  • Y – максимальная температура 90 град. Цельсия. К данной категории относятся различные волокнистые изделия из хлопка, натуральных тканей и целлюлоза. Они не пропитываются и не дополняются жидкими электроизоляторами.
  • A – 105 град. Цельсия. Все материалы, перечисленные выше, и синтетический шелк, пропитываемые жидкими диэлектриками (погружаемые в них).
  • E – 120 град. Цельсия. Синтетические изделия, включая волокна, пленки и компаунды.
  • B – 130 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики, асбест и стекловолокно вкупе с органическим связующим и пропиткой.
  • F – 155 град. Цельсия. Слюдинитовые материалы, в качестве связующего звена которых выступают синтетические компоненты.
  • H – 180 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики с кремнийорганическими соединениями, выступающими в качестве связующего.
  • C – более 180 град. Цельсия. Все перечисленные выше изделия, в которых не используется связующее или применяются неорганические адгезивы.

Выбор электроизоляционных материалов зависит не только от мощностей оборудования, но и от условий его эксплуатации. Например, для высоковольтных линий электропередач должны использоваться диэлектрики с повышенной морозостойкостью и защитой от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Таким образом, информация выше может использоваться только в качестве ознакомительных целей, а окончательное решение должен принимать профессиональный, квалифицированный специалист.

Электроизоляционные материалы: классификация, применение, свойства и характеристики

Электроизоляционные материалы

Самый лучший диэлектрик
статьи

Электроизоляционные материалы, изоляторы – газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток.

Коронный разряд

Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной температуре. Для низких напряжений удельное электрическое сопротивление такого воздуха составляет ок. 1018 ОмЧсм.

Когда напряженность электрического поля поперек однородной воздушной щели достигает 30 кВ/см, проводимость увеличивается, так как начинается фотоионизация воздуха и в конце концов между электродами проскакивает искра.

Если геометрия электродов разнородна, как, например, в случае острия и плоскости или провода линии электропередачи над поверхностью земли, вокруг острия или провода при достаточно большой напряженности электрического поля возникает светящаяся область ионизованного воздуха, называемая коронным разрядом.

Ток коронного разряда возрастает с увеличением напряжения, и в конце концов возникает искра или дуга в зависимости от мощности источника и сопротивления внешней цепи.

Электрическая прочность

Повышение давления воздуха приводит к увеличению напряжения коронного разряда и напряженности электрического поля, при которой происходит пробой для рассматриваемой системы электродов.

Согласно закону Пашена, в однородном электрическом поле напряжение пробоя не изменится, если при уменьшении межэлектродного зазора во столько же раз увеличить давление газа в зазоре.

Такие распространенные газы, как азот, кислород и двуокись углерода, по своей изолирующей способности близки к воздуху при атмосферном давлении.

Некоторые пары, особенно те, что содержат серу, хлор или фтор, такие, как гексафторид серы (SF6), четыреххлористый углерод (CCl4) и фреон-12 (CCl2F2), имеют втрое большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Влияние давления на напряжение пробоя для некоторых материалов показано на рисунке.

Электроизолирующие свойства газов оказываются наихудшими при давлениях от 1 до 0,01 кПа. Прохождение тока через газ при таких давлениях сопровождается ярким свечением (например, в ртутных или неоновых лампах). Это явление называется тлеющим разрядом.

Вакуум как изолятор

Когда металлические электроды помещены в газ с давлением меньше 10-2 Па, молекул газа недостаточно для образования заметного тока в межэлектродном зазоре, и в этом случае говорят об изоляции высоким вакуумом.

Ионизация молекул остаточного газа при соударении с электронами или положительно заряженными ионами, вылетающими с электродов, при таких давлениях происходит редко.

В условиях высокого вакуума при постоянном напряжении ниже 20 кВ на поверхности катода пробой может не наступать при напряженности поля до 5 МВ/см, а на аноде – при напряженности в несколько раз большей. Однако при более высоких напряжениях катодный градиент, при котором наступает пробой, быстро уменьшается.

Пробой между металлическими электродами в вакууме происходит из-за обмена заряженными частицами между катодом и анодом. Электрон, вылетающий из катода, ускоряется электрическим полем и ударяет в анод, выбивая положительные ионы и фотоны.

Положительные ионы и часть фотонов попадают на катод; ионы ускоряются электрическим полем и вызывают эмиссию вторичных электронов. При некотором критическом значении напряжения и градиента электрического поля для данного материала электродов этот процесс становится неустойчивым, и происходит искровой пробой.

Изоляция высоким вакуумом особенно широко применяется в электронике как для ускорения электронов низкой энергии в обычных электровакуумных приборах, так и для высоковольтных приложений в рентгеновских приборах и ускорителях для ядерных исследований.

Конденсаторы

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений.

Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками.

Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

Низковольтные конденсаторы

Для слаботочных и низковольтных приложений, таких, как радио- и телефонные сети и низковольтные выпрямители, конденсаторы изготавливаются обычно из слоев алюминиевой или другой металлической фольги, разделенных диэлектриком из одного или нескольких слоев пропарафиненной бумаги.

Очень компактный низковольтный конденсатор – т.н. электролитический – изготавливается нанесением (посредством электролитического осаждения) тонкой изолирующей оксидной пленки на поверхность металлической фольги; при этом достигается достаточно высокая емкость на единицу площади поверхности конденсатора.

Полученный материал наматывается в виде обмотки компактных размеров.

Высоковольтные конденсаторы

В конденсаторах для высоких напряжений, которые используются в радиопередающих устройствах, в качестве изолятора часто применяется слюда.

Конденсаторы для очень высоких напряжений обычно изготавливаются из металлической фольги с большим числом слоев диэлектрической бумаги, помещенных в заполненный маслом контейнер, или из металлических пластин, разделенных газообразным или жидким диэлектриком.

В таких конструкциях для высокочастотных конденсаторов, в которых важно иметь низкие диэлектрические потери, в качестве диэлектрика используется и вакуум.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.