Dielektrik dan sifatnya, polarisasi dan kekuatan pecahan dielektrik

Bahan (badan) dengan kekonduksian elektrik yang boleh diabaikan dipanggil dielektrik atau penebat.

Dielektrik atau bukan konduktor mewakili kelas besar bahan yang digunakan dalam kejuruteraan elektrik yang penting untuk tujuan praktikal. Ia berfungsi untuk melindungi litar elektrik, serta memberikan sifat istimewa kepada peranti elektrik, yang membolehkan penggunaan lebih lengkap isipadu dan berat bahan dari mana ia dibuat.

Dielektrik boleh menjadi bahan dalam semua keadaan agregat: gas, cecair dan pepejal. Dalam amalan, udara, karbon dioksida, hidrogen digunakan sebagai dielektrik gas dalam keadaan normal dan termampat.

Semua gas ini mempunyai rintangan yang hampir tidak terhingga. Sifat elektrik gas adalah isotropik. Daripada bahan cecair, air tulen secara kimia, banyak bahan organik, minyak asli dan tiruan (minyak transformer, burung hantu, dll.).

Dielektrik cecair juga mempunyai sifat isotropik.Kualiti penebat tinggi bahan-bahan ini bergantung pada ketulenannya.

Sebagai contoh, sifat penebat minyak transformer berkurangan apabila kelembapan diserap dari udara. Yang paling banyak digunakan dalam amalan ialah dielektrik pepejal. Ia termasuk bahan bukan organik (porselin, kuarza, marmar, mika, kaca, dll.) dan organik (kertas, ambar, getah, pelbagai bahan organik buatan).

Kebanyakan bahan ini mempunyai sifat elektrik dan mekanikal yang tinggi dan digunakan untuk penebat peralatan elektrikbertujuan untuk kegunaan dalaman dan luaran.

Sebilangan bahan mengekalkan sifat penebatnya yang tinggi bukan sahaja pada suhu biasa tetapi juga pada suhu tinggi (silikon, kuarza, sebatian silikon silikon). Dielektrik pepejal dan cecair mempunyai jumlah elektron bebas tertentu, itulah sebabnya rintangan dielektrik yang baik adalah kira-kira 1015 - 1016 ohm x m.

Dalam keadaan tertentu, pemisahan molekul menjadi ion berlaku dalam dielektrik (contohnya, di bawah pengaruh suhu tinggi atau dalam medan yang kuat), dalam kes ini dielektrik kehilangan sifat penebatnya dan menjadi pemandu.

Dielektrik mempunyai sifat terpolarisasi dan kewujudan jangka panjang mungkin di dalamnya. medan elektrostatik.

Ciri tersendiri semua dielektrik bukan sahaja rintangan yang tinggi terhadap laluan arus elektrik, ditentukan oleh kehadiran di dalamnya sebilangan kecil. elektron, bebas bergerak melalui keseluruhan isipadu dielektrik, tetapi juga perubahan dalam sifat mereka di bawah tindakan medan elektrik, yang dipanggil polarisasi. Polarisasi mempunyai kesan yang besar pada medan elektrik dalam dielektrik.

Salah satu contoh utama penggunaan dielektrik dalam amalan elektrik ialah pengasingan unsur-unsur peranti elektrik dari tanah dan antara satu sama lain, yang mana pemusnahan penebat mengganggu operasi biasa pemasangan elektrik dan membawa kepada kemalangan.
Untuk mengelakkan ini, dalam reka bentuk mesin dan pemasangan elektrik, penebat elemen individu dipilih supaya, dalam satu tangan, kekuatan medan dalam dielektrik tidak melebihi kekuatan dielektrik mereka di mana-mana sahaja, dan sebaliknya, penebat ini. dalam sambungan individu peranti digunakan sepenuhnya yang mungkin (tiada lebihan stok).
Untuk melakukan ini, anda mesti terlebih dahulu mengetahui bagaimana medan elektrik diedarkan dalam peranti.Kemudian, dengan memilih bahan yang sesuai dan ketebalannya, masalah di atas dapat diselesaikan dengan memuaskan.

Polarisasi dielektrik

Jika medan elektrik dicipta dalam vakum, maka magnitud dan arah vektor kekuatan medan pada titik tertentu bergantung hanya pada magnitud dan lokasi cas yang mencipta medan. Jika medan dicipta dalam mana-mana dielektrik, maka proses fizikal berlaku dalam molekul yang terakhir yang mempengaruhi medan elektrik.

Di bawah tindakan daya medan elektrik, elektron dalam orbit disesarkan ke arah yang bertentangan dengan medan. Akibatnya, molekul neutral sebelum ini menjadi dipol dengan cas yang sama pada nukleus dan elektron dalam orbit. Fenomena ini dipanggil polarisasi dielektrik... Apabila medan hilang, sesaran juga hilang. Molekul menjadi neutral elektrik semula.

Molekul terpolarisasi - dipol mencipta medan elektrik mereka sendiri, arahnya bertentangan dengan arah medan utama (luar), oleh itu medan tambahan, bergabung dengan yang utama, melemahkannya.

Semakin terpolarisasi dielektrik, semakin lemah medan yang terhasil, semakin rendah keamatannya pada sebarang titik untuk cas yang sama yang mencipta medan utama, dan oleh itu pemalar dielektrik dielektrik sedemikian adalah lebih besar.

Jika dielektrik berada dalam medan elektrik berselang-seli, sesaran elektron juga menjadi berselang-seli. Proses ini membawa kepada peningkatan dalam pergerakan zarah dan oleh itu kepada pemanasan dielektrik.

Semakin kerap medan elektrik berubah, semakin dielektrik semakin panas. Dalam amalan, fenomena ini digunakan untuk memanaskan bahan basah untuk mengeringkannya atau untuk mendapatkan tindak balas kimia yang berlaku pada suhu tinggi.

Baca juga: Apakah kehilangan dielektrik kerana apa yang berlaku

Dielektrik kutub dan bukan kutub

Walaupun dielektrik secara praktikal tidak mengalirkan elektrik, namun, di bawah pengaruh medan elektrik, ia mengubah sifatnya. Bergantung pada struktur molekul dan sifat kesan medan elektrik pada mereka, dielektrik dibahagikan kepada dua jenis: bukan kutub dan kutub (dengan polarisasi elektronik dan orientasi).

Dalam dielektrik bukan kutub, jika tidak dalam medan elektrik, elektron berputar dalam orbit dengan pusat bertepatan dengan pusat nukleus. Oleh itu, tindakan elektron ini boleh dilihat sebagai tindakan cas negatif yang terletak di pusat nukleus.Oleh kerana pusat tindakan zarah bercas positif — proton — tertumpu di pusat nukleus, di angkasa lepas atom dianggap sebagai neutral elektrik.

Apabila bahan-bahan ini dimasukkan ke dalam medan elektrostatik, elektron disesarkan di bawah pengaruh daya medan, dan pusat tindakan elektron dan proton tidak bertepatan. Di angkasa lepas, atom dalam kes ini dianggap sebagai dipol, iaitu, sebagai sistem dua cas titik berbeza yang sama -q dan + q, terletak antara satu sama lain pada jarak kecil tertentu a, sama dengan anjakan pusat orbit elektron berbanding dengan pusat nukleus.

Dalam sistem sedemikian, cas positif ternyata disesarkan ke arah kekuatan medan, negatif ke arah yang bertentangan. Semakin besar kekuatan medan luar, semakin besar anjakan relatif cas dalam setiap molekul.

Apabila medan hilang, elektron kembali ke keadaan asal pergerakannya berbanding dengan nukleus atom dan dielektrik menjadi neutral semula. Perubahan di atas dalam sifat dielektrik di bawah pengaruh medan dipanggil polarisasi elektronik.

Dalam dielektrik polar, molekul adalah dipol. Berada dalam gerakan terma huru-hara, momen dipol berubah kedudukannya sepanjang masa. Ini membawa kepada pampasan medan dipol molekul individu dan fakta bahawa di luar dielektrik, apabila tiada medan luaran, tiada makroskopik padang.

Apabila bahan-bahan ini terdedah kepada medan elektrostatik luaran, dipol akan berputar dan meletakkan paksinya di sepanjang medan. Susunan yang tersusun sepenuhnya ini akan dihalang oleh gerakan terma.

Pada kekuatan medan yang rendah, hanya putaran dipol berlaku pada sudut tertentu ke arah medan, yang ditentukan oleh keseimbangan antara tindakan medan elektrik dan kesan gerakan haba.

Apabila kekuatan medan meningkat, putaran molekul dan, dengan itu, tahap polarisasi meningkat. Dalam kes sedemikian, jarak a antara cas dipol ditentukan oleh nilai purata unjuran paksi dipol ke arah kekuatan medan. Sebagai tambahan kepada jenis polarisasi ini, yang dipanggil orientasi, terdapat juga polarisasi elektronik dalam dielektrik ini disebabkan oleh anjakan cas.

Corak polarisasi yang diterangkan di atas adalah asas untuk semua bahan penebat: gas, cecair dan pepejal. Dalam dielektrik cecair dan pepejal, di mana jarak purata antara molekul lebih kecil daripada gas, fenomena polarisasi adalah rumit, kerana sebagai tambahan kepada peralihan pusat orbit elektron berbanding nukleus atau putaran dipol kutub, terdapat juga interaksi antara molekul.

Oleh kerana dalam jisim dielektrik, atom dan molekul individu hanya terkutub, dan tidak terpecah menjadi ion bercas positif dan negatif, dalam setiap unsur isipadu dielektrik terkutub, cas kedua-dua tanda adalah sama. Oleh itu, dielektrik sepanjang isipadunya kekal neutral secara elektrik.

Pengecualian ialah caj kutub molekul yang terletak pada permukaan sempadan dielektrik. Caj sedemikian membentuk lapisan bercas nipis pada permukaan ini. Dalam medium homogen, fenomena polarisasi boleh diwakili sebagai susunan harmonik dipol.

Kekuatan pecahan dielektrik

Di bawah keadaan biasa, dielektrik mempunyai kekonduksian elektrik yang boleh diabaikan… Sifat ini kekal sehingga kekuatan medan elektrik ditingkatkan kepada nilai had tertentu untuk setiap dielektrik.

Dalam medan elektrik yang kuat, molekul dielektrik berpecah kepada ion, dan badan, yang merupakan dielektrik dalam medan lemah, menjadi konduktor.

Kekuatan medan elektrik di mana pengionan molekul dielektrik bermula dipanggil voltan pecahan (kekuatan elektrik) dielektrik.

Ia dipanggil magnitud kekuatan medan elektrik yang dibenarkan dalam dielektrik apabila ia digunakan dalam pemasangan elektrik voltan dibenarkan... Voltan dibenarkan biasanya beberapa kali kurang daripada voltan pecah. Nisbah voltan pecah kepada margin keselamatan yang dibenarkan ditentukan... Bukan konduktor (dielektrik) terbaik ialah vakum dan gas, terutamanya pada tekanan tinggi.

Kegagalan dielektrik

Pecahan berlaku secara berbeza dalam bahan gas, cecair dan pepejal dan bergantung kepada beberapa keadaan: pada kehomogenan dielektrik, tekanan, suhu, kelembapan, ketebalan dielektrik, dll. Oleh itu, apabila menentukan nilai kekuatan dielektrik, ini syarat biasanya disediakan.

Untuk bahan yang berfungsi, sebagai contoh, dalam bilik tertutup dan tidak terdedah kepada pengaruh atmosfera, keadaan normal ditetapkan (contohnya, suhu + 20 ° C, tekanan 760 mm). Kelembapan juga menjadi normal, kadangkala kekerapan, dsb.

Gas mempunyai kekuatan elektrik yang agak rendah. Jadi kecerunan pecahan udara dalam keadaan normal ialah 30 kV / cm.Kelebihan gas ialah selepas pemusnahannya, sifat penebatnya dipulihkan dengan cepat.

Dielektrik cecair mempunyai kekuatan elektrik yang lebih tinggi sedikit. Ciri khas cecair ialah penyingkiran haba yang baik daripada peranti yang dipanaskan apabila arus melalui wayar. Kehadiran bendasing, khususnya air, mengurangkan kekuatan dielektrik cecair dielektrik dengan ketara. Dalam cecair, seperti dalam gas, sifat penebatnya dipulihkan selepas pemusnahan.

Dielektrik pepejal mewakili kelas bahan penebat yang luas, baik semula jadi dan buatan manusia. Dielektrik ini mempunyai pelbagai jenis sifat elektrik dan mekanikal.

Penggunaan bahan ini atau itu bergantung pada keperluan penebat pemasangan yang diberikan dan keadaan operasinya. Mika, kaca, parafin, ebonit, serta pelbagai bahan organik berserat dan sintetik, bakelite, getinax, dll. Mereka dicirikan oleh kekuatan elektrik yang tinggi.

Jika, sebagai tambahan kepada keperluan untuk kecerunan pecahan yang tinggi, keperluan untuk kekuatan mekanikal yang tinggi dikenakan pada bahan (contohnya, dalam penebat sokongan dan ampaian, untuk melindungi peralatan daripada tekanan mekanikal), porselin elektrik digunakan secara meluas.

Jadual menunjukkan nilai kekuatan pecahan (di bawah keadaan biasa dan pada sifar malar malar) beberapa dielektrik yang paling biasa.

Nilai kekuatan pecahan dielektrik

Voltan kerosakan bahan, kv / mm Kertas yang diresapi dengan parafin 10.0-25.0 Udara 3.0 Minyak mineral 6.0 -15.0 Marmar 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 Kadbod elektrik 9 .0 — 14.0 Mica 80.0 — 10.0.0 Mica 80.0 — 200.0 Kaca porselin S lewat 1.5 — 3.0