Діелектрики

Діелектрики і їх властивості, поляризація і пробивна напруженість діелектриків

Речовини (тіла) з незначною електропровідністю називаються діелектриками або ізоляторами.

Діелектрики, або непроводнікі, становлять великий важливий для практичних цілей клас речовин, що застосовуються в електротехніці. Вони служать для ізоляції електричних ланцюгів, а також для повідомлення електричних пристроїв особливих властивостей, що дозволяють більш повно використовувати обсяг і вага матеріалів, з яких вони виготовлені.

Діелектриками можуть бути речовини у всіх агрегатних станах: в газоподібному, рідкому і твердому. Як газоподібних діелектриків в практиці використовуються повітря, вуглекислота, водень як в нормальному, так і в стислому станах.

Всі перераховані гази мають практично нескінченно великий опір. Електричні властивості газів ізотропні. З рідких речовин властивостями діелектрика мають хімічно чиста вода, багато органічних речовин, природні та штучні масла (трансформаторне масло, совол і т. Д.).

Рідкі діелектрики також мають ізотропні властивості. Високі ізоляційні якості цих речовин залежать від чистоти.

Наприклад, ізоляційні властивості трансформаторного масла при поглинанні з повітря вологи знижуються. Найбільш широко застосовуються в практиці тверді діелектрики. До них відносяться речовини неорганічного (фарфор, кварц, мармур, слюда, скло і т. П.) І органічного (папір, бурштин, гума, різні штучні органічні речовини) походження.

Більшість з цих речовин відрізняються високими електричними і механічними властивостями і застосовуються для ізоляції електротехнічних пристроїв, розрахованих на експлуатацію всередині приміщення і на відкритому повітрі.

Ряд речовин зберігають свої високі ізолюючі властивості не тільки при нормальній, а й підвищеній температурі (кремній, кварц, кремнійорганічні сполуки). У твердих і рідких діелектриках є деяка кількість вільних електронів, завдяки чому питомий опір хорошого діелектрика становить близько 1015 - 1016 ом х м.

При деяких умовах в діелектриках відбувається розщеплення молекул на іони (наприклад, під дією високої температури або в сильному полі), в цьому випадку діелектрики втрачають свої ізолюючі властивості і стають провідниками.

Діелектрики мають властивість поляризуватися і в них можливо тривале існування електростатичного поля.

Відмінною особливістю всіх діелектриків є не тільки великий опір проходженню електричного струму, яке визначається наявністю в них невеликого числа електронів, вільно переміщаються в усьому обсязі діелектрика, але і зміна їх властивостей під дією електричного поля, яке називається поляризацією. Поляризація дуже впливає на електричне поле в діелектрику.

Одним з основних прикладів застосування діелектриків в електротехнічної практиці є ізоляція елементів електричних пристроїв від землі і один від одного, тому пробій ізоляції порушує нормальну роботу електричних установок, призводить до аварій.

Щоб уникнути цього, при проектуванні електричних машин і установок ізоляцію окремих елементів вибирають з таким розрахунком, щоб, з одного боку, ніде в діелектриках напруженість поля не перевищувала їх електричної міцності, і, з іншого боку, щоб ізоляція в окремих ланках пристроїв використовувалася максимально повно (без зайвих запасів).

Для цього в першу чергу необхідно знати, як розподіляється електричне поле в пристрої. Тоді підбором відповідних матеріалів і їх товщини можна задовільно вирішити зазначену вище завдання.

Поляризація діелектриків

Якщо електричне поле створюється в вакуумі, то величина і напрямок вектора напруженості поля в даній точці залежать тільки від величини і місця розташування зарядів, що створюють поле. Якщо ж поле створюється в будь-якому діелектрику, то в молекулах останнього, відбуваються фізичні процеси, що впливають на електричне поле.

Під дією сил електричного поля електрони на орбітах зміщуються в напрямку, протилежному полю. В результаті раніше нейтральні молекули стають диполями з рівними зарядами ядра і електронів на орбітах. Це явище називається поляризацією діелектрика. При зникненні поля зникає і зміщення. Молекули знову стають електрично нейтральними.

Поляризовані молекули - диполі створюють своє електричне поле, напрямок якого протилежно напрямку основного (зовнішнього) поля, тому додаткове поле, складаючись з основним, послаблює його.

Чим сильніше поляризується діелектрик, то менше виходить результуюче поле, тим менше стає його напруженість в кожній точці при тих же зарядах, що створюють основне поле, а отже, діелектрична проникність такого діелектрика більше.

Якщо діелектрик знаходиться в змінному електричному полі, то зміщення електронів стає також змінним. Цей процес призводить до посилення руху частинок і, отже, до нагрівання діелектрика.

Чим частіше змінюється електричне поле, тим сильніше нагрівається діелектрик. На практиці це явище використовується для нагріву вологих матеріалів з метою їх сушіння або отримання хімічних реакцій, що відбуваються при підвищеній температурі.

Полярні і неполярні діелектрики

Хоча діелектрики практично не проводять електрики, проте під дією електричного поля вони змінюють свої властивості. Залежно від будови молекул і характеру впливу на них електричного поля діелектрики діляться на два види: неполярні і полярні (з електронної і орієнтаційної поляризацією).

У неполярних діелектриках, якщо вони не знаходяться в електричному полі, електрони обертаються по орбітах, які мають центр, що співпадає з центром ядра. Тому дія цих електронів можна розглядати як дію негативних зарядів, що знаходяться в центрі ядра. Оскільки в центрі ядра зосереджені і центри дії позитивно заряджених частинок - протонів, то в зовнішньому просторі атом сприймається як електрично нейтральний.

При внесенні цих речовин в електростатичне поле електрони під впливом сил поля зміщуються і центри дії електронів і протонів не збігаються. У зовнішньому просторі атом в цьому випадку сприймається як диполь, т. Е. Як система двох рівних разнозначних точкових зарядів -q і + q, що знаходяться один від одного на деякій малій відстані а, рівній зміщення центру орбіти електронів щодо центру ядра.

У такій системі позитивний заряд виявляється зміщеним в напрямку напруженості поля, негативний заряд - в протилежному напрямку. Чим більше напруженість зовнішнього поля, тим більше і відносне зміщення зарядів в кожній молекулі.

При зникненні поля електрони повертаються в початкові стану руху щодо ядра атома і діелектрик знову стає нейтральним. Зазначене вище зміна властивостей діелектрика під впливом поля називається електронної поляризацією.

У полярних діелектриках молекули являють собою диполі. Перебуваючи в хаотичному тепловому русі, дипольний момент весь час змінює своє положення. Це призводить до компенсації полів диполів окремих молекул і до того, що поза діелектрика, коли зовнішнього поля немає, макроскопічне поле відсутнє.

При впливі на ці речовини зовнішнього електростатичного поля диполі будуть повертатися і розташовуватися осями вздовж поля. Цьому повністю впорядкованого розташування буде перешкоджати тепловий рух.

При невеликій напруженості поля відбувається лише поворот диполів на деякий кут в напрямку поля, який визначається рівновагою між дією електричного поля і ефектом від теплового руху.

Із зростанням напруженості поля поворот молекул і відповідно ступінь поляризації зростають. У таких випадках відстань а між зарядами диполів визначається середнім значенням проекцій осей диполів на напрям напруженості поля. Крім такого виду поляризації, яка називається орієнтаційної, в цих діелектриках виникає також і електронна поляризація, що викликається зміщенням зарядів.

Описані вище картини поляризації є основними для всіх ізолюючих речовин: газоподібних, рідких і твердих. У рідких і твердих діелектриках, в яких середні відстані між молекулами менше, ніж в газах, явище поляризації ускладнюється, тому що крім зміщення центру орбіти електронів щодо ядра або повороту полярних диполів спостерігається ще взаємодія між молекулами.

Оскільки в масі діелектрика окремі атоми і молекули лише поляризуються, а не розпадаються на позитивно і негативно заряджені іони, в кожному елементі обсягу поляризованого діелектрика заряди обох знаків рівні. Тому діелектрик у всьому своєму обсязі залишається електрично нейтральним.

Виняток становлять заряди полюсів молекул, що знаходяться у граничних поверхонь діелектрика. Такі заряди утворюють тонкі заряджені шари у цих поверхонь. В однорідному середовищі явище поляризації можна представити як струнке розташування диполів.

Пробивна напруженість діелектриків

При нормальних умовах діелектрик має незначну електропровідність. Це властивість зберігається, поки напруженість електричного поля не збільшиться до деякого граничного для кожного діелектрика значення.

У сильному електричному полі відбувається розщеплення молекул діелектрика на іони і тіло, яке в слабкому полі було діелектриком, стає провідником.

Напруженість електричного поля, при якій починається іонізація молекул діелектрика, називається пробивною напруженістю (електричної міцністю) діелектрика.

Величина напруженості електричного поля, яка допускається в діелектрику при його використанні в електричних установках, називається допустимою напруженістю. Допустима напруженість зазвичай в кілька разів менше пробивний. Ставлення пробивний напруженості до допустимої визначає запас міцності. Кращими непроводниками (діелектриками) є вакуум і гази, особливо при високому тиску.

Пробій діелектрика

Пробій відбувається по-різному в газоподібних, рідких і твердих речовинах і залежить від ряду умов: від однорідності діелектрика, тиску, температури, вологості, товщини діелектрика і т. Д. Тому, вказуючи значення електричної міцності, зазвичай обумовлюють ці умови.

Для матеріалів, які працюють, наприклад, в закритих приміщеннях і не піддаються атмосферному впливу, встановлюються нормальні умови (наприклад, температура + 20 ° С, тиск 760 мм). Нормується також вологість, іноді частота і т. Д.

Гази мають порівняно низькою електричною міцністю. Так, пробивний градієнт повітря при нормальних умовах становить 30 кв / см. Перевага газів полягає в тому, що після пробою швидко відновлюються їх ізолюючі властивості.

Рідкі діелектрики відрізняються трохи більше високої електричної міцністю. Відмітною властивістю рідин є хороше відведення тепла від нагріваються при проходженні струму по провідниках пристроїв. Наявність домішок, зокрема води, значно знижує електричну міцність рідких діелектриків. У рідинах, як і в газах, відновлюються їх ізолюючі властивості після пробою.

Тверді діелектрики представляють великий клас ізоляційних матеріалів як природного, так і штучного походження. Ці діелектрики мають найрізноманітніші електричні і механічні властивості.

Застосування того чи іншого матеріалу залежить від вимог, що пред'являються до ізоляції даної установки і умов її роботи. Великий електричної міцністю відрізняються слюда, скло, парафін, ебоніт, а також різні волокнисті та синтетичні органічні речовини, бакеліт, гетинакс і т. п.

Якщо крім вимоги високого пробивної градієнта до матеріалу пред'являється й вимога великий механічної міцності (наприклад, в опорних і підвісних ізоляторах, для захисту апаратури від механічних впливів), широко застосовується електротехнічний фарфор.

У таблиці наведені значення пробивної напруженості (при нормальних умовах і в однорідному постійному нулі) деяких найбільш поширених діелектриків.

Значення пробивної напруженості діелектриків

Пробивна напруженість, кв/мм Матеріал

Папір, пропитаний парафіном 10,0-25,0

Повітря

3,0

Масло мінеральне

6,0 -15,0

Мармур

3,0 - 4,0

Міканіт

15,0 - 20,0

Електрокартон

9,0 - 14,0

Слюда

80,0 - 200,0

Скло

10,0 - 40,0

Фарфор

6,0 - 7,5

Шифер

1,5 - 3,0