Dielèctrics i les seves propietats, polarització i resistència a la ruptura dels dielèctrics

Les substàncies (cossos) amb conductivitat elèctrica insignificant s'anomenen dielèctrics o aïllants.

Els dielèctrics o no conductors representen una gran classe de substàncies utilitzades en enginyeria elèctrica que són importants per a finalitats pràctiques. Serveixen per aïllar els circuits elèctrics, així com per donar propietats especials als aparells elèctrics, que permeten un aprofitament més complet del volum i el pes dels materials dels quals estan fets.

Els dielèctrics poden ser substàncies en tots els estats agregats: gasós, líquid i sòlid. A la pràctica, l'aire, el diòxid de carboni i l'hidrogen s'utilitzen com a dielèctrics gasosos tant en estat normal com comprimit.

Tots aquests gasos tenen una resistència gairebé infinita. Les propietats elèctriques dels gasos són isòtropes. Des de substàncies líquides, aigua químicament pura, moltes substàncies orgàniques, olis naturals i artificials (oli del transformador, mussol, etc.).

Els dielèctrics líquids també tenen propietats isòtropes.Les altes qualitats aïllants d'aquestes substàncies depenen de la seva puresa.

Per exemple, les propietats aïllants de l'oli del transformador disminueixen quan s'absorbeix la humitat de l'aire. Els més utilitzats a la pràctica són els dielèctrics sòlids. Inclouen substàncies d'origen inorgànic (porcellana, quars, marbre, mica, vidre, etc.) i orgànics (paper, ambre, cautxú, substàncies orgàniques artificials diverses).

La majoria d'aquestes substàncies tenen propietats elèctriques i mecàniques elevades i s'utilitzen per a l'aïllament d'aparells elèctricsdestinada a ús intern i extern.

Una sèrie de substàncies conserven les seves altes propietats aïllants no només a temperatures normals sinó també a elevades (silici, quars, compostos de silici silici). Els dielèctrics sòlids i líquids tenen una certa quantitat d'electrons lliures, per això la resistència d'un bon dielèctric és d'uns 1015 - 1016 ohm x m.

En determinades condicions, la separació de molècules en ions es produeix en dielèctrics (per exemple, sota la influència d'alta temperatura o en un camp fort), en aquest cas els dielèctrics perden les seves propietats aïllants i es converteixen en conductors.

Els dielèctrics tenen la propietat d'estar polaritzats i en ells és possible l'existència a llarg termini. camp electrostàtic.

Una característica distintiva de tots els dielèctrics no és només l'alta resistència al pas del corrent elèctric, determinada per la presència en ells d'un petit nombre. electrons, movent-se lliurement per tot el volum del dielèctric, però també un canvi en les seves propietats sota l'acció d'un camp elèctric, que s'anomena polarització. La polarització té un gran efecte sobre el camp elèctric en un dielèctric.

Un dels principals exemples de l'ús de dielèctrics en la pràctica elèctrica és l'aïllament dels elements dels dispositius elèctrics del terra i els uns dels altres, per la qual cosa la destrucció de l'aïllament pertorba el funcionament normal de les instal·lacions elèctriques i provoca accidents.
Per evitar-ho, en el disseny de màquines i instal·lacions elèctriques s'escull l'aïllament dels elements individuals de manera que, d'una banda, la intensitat de camp en els dielèctrics no superi la seva rigidesa dielèctrica enlloc, i d'altra banda, aquest aïllament. en les connexions individuals dels dispositius s'utilitza el màxim possible (sense excés d'estoc).
Per fer-ho, primer cal saber com es distribueix el camp elèctric en l'aparell, i després, escollint els materials adequats i el seu gruix, es pot resoldre satisfactòriament el problema anterior.

Polarització dielèctrica

Si es crea un camp elèctric en el buit, aleshores la magnitud i la direcció del vector d'intensitat de camp en un punt determinat només depenen de la magnitud i la ubicació de les càrregues que creen el camp. Si el camp es crea en qualsevol dielèctric, llavors es produeixen processos físics en les molècules d'aquest últim que afecten el camp elèctric.

Sota l'acció de les forces del camp elèctric, els electrons en òrbites es desplacen en la direcció oposada al camp. Com a resultat, les molècules anteriorment neutres es converteixen en dipols amb càrregues iguals al nucli i electrons a les òrbites. Aquest fenomen s'anomena polarització dielèctrica... Quan el camp desapareix, també desapareix el desplaçament. Les molècules tornen a ser elèctricament neutres.

Molècules polaritzades: els dipols creen el seu propi camp elèctric, la direcció del qual és oposada a la direcció del camp principal (extern), per tant, el camp addicional, combinat amb el principal, el debilita.

Com més polaritzat sigui el dielèctric, més dèbil és el camp resultant, menor serà la seva intensitat en qualsevol punt per a les mateixes càrregues que creen el camp principal i, per tant, la constant dielèctrica d'aquest dielèctric és més gran.

Si el dielèctric es troba en un camp elèctric altern, el desplaçament dels electrons també esdevé altern. Aquest procés comporta un augment del moviment de les partícules i, per tant, l'escalfament del dielèctric.

Com més sovint canvia el camp elèctric, més s'escalfa el dielèctric. A la pràctica, aquest fenomen s'utilitza per escalfar materials humits per assecar-los o per obtenir reaccions químiques que es produeixen a temperatures elevades.

Llegeix també: Què és la pèrdua dielèctrica pel que passa

Dielèctrics polars i no polars

Encara que els dielèctrics pràcticament no condueixen l'electricitat, tanmateix, sota la influència d'un camp elèctric, canvien les seves propietats. Segons l'estructura de les molècules i la naturalesa de l'efecte sobre elles del camp elèctric, els dielèctrics es divideixen en dos tipus: no polars i polars (amb polarització electrònica i orientativa).

En els dielèctrics no polars, si no en un camp elèctric, els electrons giren en òrbites amb un centre coincident amb el centre del nucli. Per tant, l'acció d'aquests electrons es pot veure com l'acció de càrregues negatives situades al centre del nucli.Com que els centres d'acció de les partícules carregades positivament (protons) es concentren al centre del nucli, a l'espai exterior l'àtom es percep com elèctricament neutre.

Quan aquestes substàncies s'introdueixen al camp electrostàtic, els electrons es desplacen sota la influència de les forces de camp, i els centres d'acció dels electrons i dels protons no coincideixen. A l'espai exterior, l'àtom en aquest cas es percep com un dipol, és a dir, com un sistema de dues càrregues puntuals iguals diferents -q i + q, situades entre si a una certa distància petita a, igual al desplaçament del centre de l'òrbita electrònica respecte al centre del nucli.

En aquest sistema, la càrrega positiva resulta desplaçada en la direcció de la intensitat del camp, la negativa en la direcció oposada. Com més gran és la força del camp extern, més gran és el desplaçament relatiu de les càrregues de cada molècula.

Quan el camp desapareix, els electrons tornen als seus estats de moviment originals en relació amb el nucli atòmic i el dielèctric torna a ser neutre. El canvi anterior en les propietats d'un dielèctric sota la influència d'un camp s'anomena polarització electrònica.

En els dielèctrics polars, les molècules són dipols. En estar en moviment tèrmic caòtic, el moment dipolar canvia constantment la seva posició, això porta a la compensació dels camps dels dipols de les molècules individuals i al fet que fora del dielèctric, quan no hi ha camp extern, no hi ha camp macroscòpic. camp.

Quan aquestes substàncies estan exposades a un camp electrostàtic extern, els dipols giraran i col·locaran els seus eixos al llarg del camp. Aquesta disposició totalment ordenada es veurà obstaculitzada pel moviment tèrmic.

A poca intensitat de camp, només la rotació dels dipols es produeix en un cert angle en la direcció del camp, que ve determinat per l'equilibri entre l'acció del camp elèctric i l'efecte del moviment tèrmic.

A mesura que augmenta la intensitat del camp, augmenta la rotació de les molècules i, en conseqüència, el grau de polarització. En aquests casos, la distància a entre les càrregues del dipol està determinada pel valor mitjà de les projeccions dels eixos del dipol en la direcció de la intensitat del camp. A més d'aquest tipus de polarització, que s'anomena orientacional, també hi ha una polarització electrònica en aquests dielèctrics provocada pel desplaçament de les càrregues.

Els patrons de polarització descrits anteriorment són bàsics per a totes les substàncies aïllants: gasoses, líquides i sòlides. En els dielèctrics líquids i sòlids, on les distàncies mitjanes entre molècules són més petites que en els gasos, el fenomen de polarització és complicat, perquè a més del desplaçament del centre de l'òrbita dels electrons respecte al nucli o la rotació dels dipols polars, també hi ha una interacció entre les molècules.

Com que en la massa d'un dielèctric, els àtoms i les molècules individuals només estan polaritzats, i no es descomponen en ions carregats positivament i negativament, en cada element del volum d'un dielèctric polaritzat, les càrregues d'ambdós signes són iguals. Per tant, el dielèctric en tot el seu volum roman elèctricament neutre.

Són excepcions les càrregues dels pols de les molècules situades a les superfícies límit del dielèctric. Aquestes càrregues formen capes fines carregades en aquestes superfícies. En un medi homogeni, el fenomen de polarització es pot representar com una disposició harmònica de dipols.

La resistència a la ruptura dels dielèctrics

En condicions normals, el dielèctric té conductivitat elèctrica insignificant… Aquesta propietat es manté fins que la intensitat del camp elèctric augmenta fins a un cert valor límit per a cada dielèctric.

En un camp elèctric fort, les molècules del dielèctric es divideixen en ions i el cos, que era un dielèctric en un camp feble, es converteix en conductor.

La força del camp elèctric en què comença la ionització de les molècules dielèctriques s'anomena tensió de ruptura (forza elèctrica) del dielèctric.

S'anomena la magnitud de la intensitat del camp elèctric que es permet en un dielèctric quan s'utilitza en instal·lacions elèctriques tensió admissible... La tensió admissible sol ser diverses vegades inferior a la tensió de ruptura. Es determina la relació entre la tensió de ruptura i el marge de seguretat admissible... Els millors no conductors (dielèctrics) són el buit i els gasos, sobretot a alta pressió.

Falla dielèctrica

La ruptura es produeix de manera diferent en substàncies gasoses, líquides i sòlides i depèn d'una sèrie de condicions: de l'homogeneïtat del dielèctric, pressió, temperatura, humitat, gruix del dielèctric, etc. Per tant, a l'hora de determinar el valor de la rigidesa dielèctrica, aquests normalment es donen condicions.

Per a materials que treballen, per exemple, en habitacions tancades i no exposades a influències atmosfèriques, s'estableixen condicions normals (per exemple, temperatura + 20 ° C, pressió 760 mm). La humitat també es normalitza, de vegades la freqüència, etc.

Els gasos tenen una força elèctrica relativament baixa. Així, el gradient de ruptura de l'aire en condicions normals és de 30 kV / cm.L'avantatge dels gasos és que després de la seva destrucció, les seves propietats aïllants es recuperen ràpidament.

Els dielèctrics líquids tenen una força elèctrica lleugerament superior. Una característica distintiva dels líquids és la bona eliminació de la calor dels dispositius que s'escalfen quan el corrent passa pels cables. La presència d'impureses, en particular aigua, redueix significativament la rigidesa dielèctrica dels dielèctrics líquids. En els líquids, com en els gasos, les seves propietats aïllants es recuperen després de la destrucció.

Els dielèctrics sòlids representen una àmplia classe de materials aïllants, tant naturals com artificials. Aquests dielèctrics tenen una gran varietat de propietats elèctriques i mecàniques.

L'ús d'aquest o aquell material depèn dels requisits d'aïllament de la instal·lació donada i de les condicions del seu funcionament. Mica, vidre, parafina, ebonita, així com diverses substàncies orgàniques fibroses i sintètiques, baquelita, getinax, etc. Es caracteritzen per una gran força elèctrica.

Si, a més del requisit d'un alt gradient de descomposició, s'imposa al material un requisit d'alta resistència mecànica (per exemple, en aïllants de suport i suspensió, per protegir l'equip de l'estrès mecànic), la porcellana elèctrica s'utilitza àmpliament.

La taula mostra els valors de resistència a la ruptura (en condicions normals i a zero constant constant) d'alguns dels dielèctrics més comuns.

Valors de resistència a la ruptura dielèctrica

Material Tensió de ruptura, kv / mm Paper impregnat amb parafina 10,0-25,0 Aire 3,0 Oli mineral 6,0 -15,0 Marbre 3,0 — 4,0 Mikanita 15,0 — 20,0 Cartró elèctric 9,0 — 14,0 Mica 80,0 — 21,0 — 21,0 Porcellana — 21,00,0 — 21,0 .5 Pissarra 1.5 — 3.0