Dielektrikler ve özellikleri, dielektriklerin polarizasyonu ve kırılma mukavemeti

İhmal edilebilir elektrik iletkenliğine sahip maddeler (vücutlar) dielektrikler veya yalıtkanlar olarak adlandırılır.

Dielektrikler veya iletken olmayanlar, elektrik mühendisliğinde kullanılan ve pratik amaçlar için önemli olan geniş bir madde sınıfını temsil eder. Elektrik devrelerini yalıtmanın yanı sıra elektrikli cihazlara, yapıldıkları malzemelerin hacminin ve ağırlığının daha eksiksiz kullanılmasını sağlayan özel özellikler kazandırmaya hizmet ederler.

Dielektrikler, tüm agrega hallerinde maddeler olabilir: gaz, sıvı ve katı. Uygulamada, hava, karbondioksit, hidrojen hem normal hem de sıkıştırılmış halde gaz halindeki dielektrikler olarak kullanılır.

Tüm bu gazlar neredeyse sonsuz dirence sahiptir. Gazların elektriksel özellikleri izotropiktir. Sıvı maddelerden, kimyasal olarak saf sudan, birçok organik maddeden, doğal ve yapay yağlardan (trafo yağı, baykuş vb.).

Sıvı dielektrikler ayrıca izotropik özelliklere sahiptir.Bu maddelerin yüksek yalıtım nitelikleri saflıklarına bağlıdır.

Örneğin trafo yağının yalıtkanlık özelliği havadan nem emildiğinde azalır. Uygulamada en yaygın kullanılan katı dielektriklerdir. İnorganik (porselen, kuvars, mermer, mika, cam vb.) ve organik (kağıt, kehribar, kauçuk, çeşitli yapay organik maddeler) kaynaklı maddeleri içerir.

Bu maddelerin çoğu yüksek elektriksel ve mekanik özelliklere sahiptir ve kullanılmaktadır. elektrikli ev aletlerinin yalıtımı içindahili ve harici kullanım için tasarlanmıştır.

Bazı maddeler yüksek yalıtım özelliklerini yalnızca normal koşullarda değil, aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda da korurlar (silikon, kuvars, silikon silikon bileşikleri). Katı ve sıvı dielektrikler belirli miktarda serbest elektrona sahiptir, bu nedenle iyi bir dielektrik direnci yaklaşık 1015 - 1016 ohm x m'dir.

Belirli koşullar altında, dielektriklerde moleküllerin iyonlara ayrılması meydana gelir (örneğin, yüksek sıcaklığın etkisi altında veya güçlü bir alanda), bu durumda dielektrikler yalıtkan özelliklerini kaybeder ve sürücüler.

Dielektrikler polarize olma özelliğine sahiptir ve içlerinde uzun süreli varlık mümkündür. elektrostatik alan.

Tüm dielektriklerin ayırt edici bir özelliği, yalnızca içlerinde az sayıda bulunmasıyla belirlenen elektrik akımının geçişine karşı yüksek direnç değildir. elektronlar, dielektrikin tüm hacmi boyunca serbestçe hareket eder, ancak aynı zamanda kutuplaşma adı verilen bir elektrik alanının etkisi altında özelliklerinde bir değişiklik olur. Polarizasyonun bir dielektrikteki elektrik alanı üzerinde büyük bir etkisi vardır.

Elektrik pratiğinde dielektrik kullanımının ana örneklerinden biri, elektrikli cihazların elemanlarının yerden ve birbirinden yalıtılmasıdır, bu nedenle yalıtımın tahrip edilmesi elektrik tesisatlarının normal çalışmasını bozar ve kazalara yol açar.
Bunu önlemek için, elektrikli makinelerin ve tesisatların tasarımında, tek tek elemanların yalıtımı, bir yandan dielektriklerdeki alan şiddeti hiçbir yerde dielektrik güçlerini aşmayacak ve diğer yandan bu yalıtım olacak şekilde seçilir. cihazların bireysel bağlantılarında mümkün olduğu kadar tam kullanım (fazla stok yok).
Bunu yapmak için öncelikle elektrik alanın cihazda nasıl dağıldığını bilmelisiniz, ardından uygun malzemeleri ve kalınlıklarını seçerek yukarıdaki sorunu tatmin edici bir şekilde çözebilirsiniz.

dielektrik polarizasyon

Bir elektrik alanı boşlukta yaratılırsa, belirli bir noktadaki alan şiddeti vektörünün büyüklüğü ve yönü yalnızca alanı oluşturan yüklerin büyüklüğüne ve konumuna bağlıdır. Alan herhangi bir dielektrikte yaratılırsa, ikincisinin moleküllerinde elektrik alanını etkileyen fiziksel işlemler meydana gelir.

Elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında, yörüngelerdeki elektronlar alanın tersi yönde yer değiştirir. Sonuç olarak, daha önce nötr olan moleküller, çekirdekte eşit yüklere ve yörüngelerde elektronlara sahip dipoller haline gelir. Bu fenomen denir dielektrik polarizasyon... Alan kaybolduğunda, yer değiştirme de kaybolur. Moleküller tekrar elektriksel olarak nötr hale gelir.

Polarize moleküller - dipoller, yönü ana (dış) alanın yönünün tersi olan kendi elektrik alanlarını yaratır, bu nedenle ana alanla birleşen ek alan onu zayıflatır.

Dielektrik ne kadar polarize olursa, ortaya çıkan alan o kadar zayıf olur, ana alanı oluşturan aynı yükler için herhangi bir noktadaki yoğunluğu o kadar düşük olur ve bu nedenle böyle bir dielektrikin dielektrik sabiti daha büyüktür.

Dielektrik alternatif bir elektrik alanındaysa, elektronların yer değiştirmesi de alternatif hale gelir. Bu işlem, parçacıkların hareketinde bir artışa ve dolayısıyla dielektrikin ısınmasına yol açar.

Elektrik alanı ne kadar sık ​​değişirse, dielektrik o kadar fazla ısınır. Uygulamada, bu fenomen, ıslak malzemeleri kurutmak veya yüksek sıcaklıklarda meydana gelen kimyasal reaksiyonları elde etmek için ısıtmak için kullanılır.

Ayrıca okuyun: Olanlardan dolayı dielektrik kaybı nedir?

Polar ve polar olmayan dielektrikler

Dielektrikler pratik olarak elektriği iletmese de, yine de bir elektrik alanının etkisi altında özelliklerini değiştirirler. Moleküllerin yapısına ve elektrik alanın onlar üzerindeki etkisinin doğasına bağlı olarak, dielektrikler iki türe ayrılır: polar olmayan ve polar (elektronik ve yönelimli polarizasyon ile).

Polar olmayan dielektriklerde, eğer bir elektrik alanında değilse, elektronlar çekirdeğin merkeziyle çakışan bir merkeze sahip yörüngelerde dönerler. Bu nedenle, bu elektronların hareketi, çekirdeğin merkezinde bulunan negatif yüklerin hareketi olarak görülebilir.Pozitif yüklü parçacıkların - protonların - etki merkezleri çekirdeğin merkezinde yoğunlaştığı için, uzayda atom elektriksel olarak nötr olarak algılanır.

Bu maddeler elektrostatik alana sokulduğunda, elektronlar alan kuvvetlerinin etkisi altında yer değiştirir ve elektronların ve protonların etki merkezleri çakışmaz. Uzayda, bu durumda atom bir dipol olarak algılanır, yani, birbirinden belirli bir küçük mesafe a'da bulunan, yer değiştirmesine eşit iki eşit farklı nokta yükü -q ve + q'dan oluşan bir sistem olarak algılanır. çekirdeğin merkezine göre elektron yörüngesinin merkezi.

Böyle bir sistemde pozitif yük, alan şiddeti yönünde, negatif yük ise zıt yönde yer değiştirir. Dış alanın gücü ne kadar büyük olursa, her bir moleküldeki yüklerin göreli yer değiştirmesi de o kadar büyük olur.

Alan kaybolduğunda, elektronlar atom çekirdeğine göre orijinal hareket durumlarına geri döner ve dielektrik tekrar nötr hale gelir. Bir alanın etkisi altında bir dielektrikin özelliklerinde yukarıdaki değişikliğe elektronik polarizasyon denir.

Polar dielektriklerde, moleküller dipoldür. Kaotik termal hareket halindeyken, dipol momenti her zaman konumunu değiştirir.Bu, tek tek moleküllerin dipollerinin alanlarının dengelenmesine ve dielektrik dışında, dış alan olmadığında makroskobik olmadığı gerçeğine yol açar. alan.

Bu maddeler harici bir elektrostatik alana maruz kaldıklarında, dipoller dönecek ve eksenlerini alan boyunca konumlandıracaktır. Bu tamamen düzenli düzenleme, termal hareket tarafından engellenecektir.

Düşük alan kuvvetinde, elektrik alanın eylemi ile termal hareketin etkisi arasındaki denge tarafından belirlenen, yalnızca dipollerin alan yönünde belirli bir açıda dönüşü gerçekleşir.

Alan kuvveti arttıkça moleküllerin dönüşü ve buna bağlı olarak polarizasyon derecesi artar. Bu gibi durumlarda, dipol yükleri arasındaki a mesafesi, dipol eksenlerinin alan şiddeti yönü üzerindeki izdüşümlerinin ortalama değeri tarafından belirlenir. Oryantasyonel olarak adlandırılan bu tip polarizasyona ek olarak, bu dielektriklerde yüklerin yer değiştirmesinden kaynaklanan bir elektronik polarizasyon da vardır.

Yukarıda açıklanan polarizasyon modelleri, tüm yalıtkan maddeler için temeldir: gaz, sıvı ve katı. Moleküller arasındaki ortalama mesafelerin gazlardan daha küçük olduğu sıvı ve katı dielektriklerde, polarizasyon olgusu karmaşıktır, çünkü elektron yörüngesinin merkezinin çekirdeğe göre kaymasına veya kutup dipollerinin dönüşüne ek olarak, moleküller arasında da bir etkileşim vardır.

Bir dielektrik kütlesinde, tek tek atomlar ve moleküller yalnızca polarize olduğundan ve pozitif ve negatif yüklü iyonlara ayrılmadıklarından, polarize bir dielektrik hacminin her bir elemanında, her iki işaretin yükleri eşittir. Bu nedenle dielektrik, hacmi boyunca elektriksel olarak nötr kalır.

Dielektrikin sınır yüzeylerinde bulunan moleküllerin kutuplarının yükleri istisnadır. Bu tür yükler bu yüzeylerde ince yüklü tabakalar oluşturur. Homojen bir ortamda polarizasyon olgusu, dipollerin harmonik bir düzenlemesi olarak temsil edilebilir.

Dielektriklerin kırılma mukavemeti

Normal koşullar altında, dielektrik vardır ihmal edilebilir elektriksel iletkenlik… Bu özellik, elektrik alan kuvveti her bir dielektrik için belirli bir sınır değerine yükseltilene kadar kalır.

Güçlü bir elektrik alanında, dielektrik molekülleri iyonlara ayrılır ve zayıf bir alanda bir dielektrik olan vücut bir iletken haline gelir.

Dielektrik moleküllerin iyonlaşmasının başladığı elektrik alanın kuvvetine, dielektrikin kırılma voltajı (elektriksel kuvvet) denir.

Buna elektrik tesisatlarında kullanıldığında bir dielektrikte izin verilen elektrik alan kuvvetinin büyüklüğü denir izin verilen voltaj... İzin verilen voltaj genellikle kesme voltajından birkaç kat daha azdır. Arıza geriliminin izin verilen güvenlik marjına oranı belirlenir... En iyi yalıtkanlar (dielektrikler), özellikle yüksek basınçta vakum ve gazlardır.

dielektrik arızası

Ayrışma gaz, sıvı ve katı maddelerde farklı şekilde gerçekleşir ve bir dizi koşula bağlıdır: dielektrik homojenliği, basınç, sıcaklık, nem, dielektrik kalınlığı vb. genellikle koşullar sağlanır.

Örneğin kapalı odalarda çalışan ve atmosferik etkilere maruz kalmayan malzemeler için normal koşullar belirlenir (örneğin sıcaklık + 20 ° C, basınç 760 mm). Nem de normalleşir, bazen frekans vb.

Gazlar nispeten düşük elektrik gücüne sahiptir. Yani normal şartlar altında havanın kırılma gradyanı 30 kV/cm'dir.Gazların avantajı, yok edildikten sonra yalıtım özelliklerinin hızla geri kazanılmasıdır.

Sıvı dielektrikler biraz daha yüksek bir elektrik gücüne sahiptir. Sıvıların ayırt edici bir özelliği, akım tellerden geçtiğinde ısınan cihazlardan ısının iyi bir şekilde uzaklaştırılmasıdır. Safsızlıkların, özellikle suyun varlığı, sıvı dielektriklerin dielektrik dayanımını önemli ölçüde azaltır. Gazlarda olduğu gibi sıvılarda da yalıtım özellikleri yok edildikten sonra eski haline döner.

Katı dielektrikler, hem doğal hem de insan yapımı geniş bir yalıtım malzemeleri sınıfını temsil eder. Bu dielektrikler çok çeşitli elektriksel ve mekanik özelliklere sahiptir.

Şu veya bu malzemenin kullanımı, söz konusu tesisatın yalıtım gereksinimlerine ve çalışma koşullarına bağlıdır. Mika, cam, parafin, ebonit, ayrıca çeşitli lifli ve sentetik organik maddeler, bakalit, getinax vb. Yüksek elektrik gücü ile karakterize edilirler.

Malzemeye yüksek bir kırılma gradyanı gereksinimine ek olarak, yüksek mekanik dayanım gereksinimi de yükleniyorsa (örneğin, ekipmanı mekanik gerilimden korumak için destek ve askı izolatörlerinde), elektrikli porselen yaygın olarak kullanılmaktadır.

Tablo, en yaygın dielektriklerden bazılarının kırılma mukavemeti değerlerini (normal koşullar altında ve sabit bir sabit sıfırda) göstermektedir.

Dielektrik kırılma mukavemeti değerleri

Malzeme Kırılma gerilimi, kv / mm Parafin emdirilmiş kağıt 10,0-25,0 Hava 3,0 Madeni yağ 6,0 -15,0 Mermer 3,0 — 4,0 Mikanit 15,0 — 20,0 Elektrik kartonu 9 ,0 — 14,0 Mika 80,0 — 200,0 Cam 10,0 — 40,0 Porselen 6,0 — 7,5 Arduvaz 1.5 — 3.0