דיאלקטריות ותכונותיהם, קיטוב וחוזק פירוק של דיאלקטריות

חומרים (גופים) בעלי מוליכות חשמלית זניחה נקראים דיאלקטריים או מבודדים.

דיאלקטריים או לא מוליכים מייצגים סוג גדול של חומרים המשמשים בהנדסת חשמל וחשובים למטרות מעשיות. הם משמשים לבידוד מעגלים חשמליים, כמו גם לתת תכונות מיוחדות למכשירים חשמליים, המאפשרים שימוש מלא יותר בנפח ובמשקל החומרים מהם הם עשויים.

דיאלקטריים יכולים להיות חומרים בכל המצבים המצטברים: גזי, נוזלי ומוצק. בפועל, אוויר, פחמן דו חמצני ומימן משמשים כדיאלקטריים גזים הן במצב רגיל והן במצב דחוס.

לכל הגזים הללו יש התנגדות כמעט אינסופית. התכונות החשמליות של גזים הן איזוטרופיות. מחומרים נוזליים, מים טהורים מבחינה כימית, חומרים אורגניים רבים, שמנים טבעיים ומלאכותיים (שמן שנאי, ינשוף וכו').

לדיאלקטרי נוזלי יש גם תכונות איזוטרופיות.איכויות הבידוד הגבוהות של חומרים אלו תלויות בטוהר שלהם.

לדוגמה, תכונות הבידוד של שמן שנאי פוחתות כאשר הלחות נספגת מהאוויר. השימוש הנרחב ביותר בפועל הוא דיאלקטרי מוצק. הם כוללים חומרים ממקור אנאורגני (פורצלן, קוורץ, שיש, נציץ, זכוכית וכו') ואורגניים (נייר, ענבר, גומי, חומרים אורגניים מלאכותיים שונים).

לרוב החומרים הללו יש תכונות חשמליות ומכאניות גבוהות והם נמצאים בשימוש לבידוד מכשירי חשמלמיועד לשימוש פנימי וחיצוני.

מספר חומרים שומרים על תכונות הבידוד הגבוהות שלהם לא רק בטמפרטורות רגילות אלא גם בטמפרטורות גבוהות (סיליקון, קוורץ, תרכובות סיליקון סיליקון). לדיאלקטרי מוצק ונוזל יש כמות מסוימת של אלקטרונים חופשיים, וזו הסיבה שההתנגדות של דיאלקטרי טוב היא בערך 1015 - 1016 אוהם x m.

בתנאים מסוימים, ההפרדה של מולקולות ליונים מתרחשת בדיאלקטריים (לדוגמה, בהשפעת טמפרטורה גבוהה או בשדה חזק), במקרה זה דיאלקטריות מאבדות את תכונות הבידוד שלהן והופכות נהגים.

לדיאלקטריים יש את התכונה להיות מקוטבת וקיום ארוך טווח אפשרי בהם. שדה אלקטרוסטטי.

תכונה ייחודית של כל הדיאלקטריים היא לא רק ההתנגדות הגבוהה למעבר זרם חשמלי, שנקבעת על ידי נוכחותם של מספר קטן אלקטרונים, נעים בחופשיות בכל נפח הדיאלקטרי, אך גם שינוי בתכונותיהם תחת פעולת שדה חשמלי, הנקרא קיטוב. לקיטוב יש השפעה גדולה על השדה החשמלי בדיאלקטרי.

אחת הדוגמאות העיקריות לשימוש בדיאלקטרי בתרגול החשמל היא בידוד אלמנטים של מכשירים חשמליים מהאדמה ומזה מהשני, עקב כך הרס הבידוד משבש את פעולתם התקינה של מתקני החשמל ומוביל לתאונות.
כדי להימנע מכך, בתכנון מכונות ומתקנים חשמליים, נבחר בידוד של אלמנטים בודדים כך שמצד אחד חוזק השדה בדיאלקטרי לא יעלה על החוזק הדיאלקטרי שלהם בשום מקום, ומצד שני, בידוד זה. בחיבורים האישיים של המכשירים נעשה שימוש מלא ככל האפשר (ללא מלאי עודף).
לשם כך יש לדעת תחילה כיצד מתחלק השדה החשמלי במכשיר, לאחר מכן, ע"י בחירת החומרים המתאימים ועובים, ניתן לפתור את הבעיה הנ"ל באופן משביע רצון.

קיטוב דיאלקטרי

אם נוצר שדה חשמלי בוואקום, אזי הגודל והכיוון של וקטור עוצמת השדה בנקודה נתונה תלויים רק בגודל ובמיקום המטענים היוצרים את השדה. אם השדה נוצר בדיאלקטרי כלשהו, ​​אז מתרחשים תהליכים פיזיקליים במולקולות של האחרונים המשפיעים על השדה החשמלי.

תחת פעולת כוחות שדה חשמליים, אלקטרונים במסלולים נעקרים בכיוון המנוגד לשדה. כתוצאה מכך, מולקולות ניטרליות בעבר הופכות לדיפולים בעלי מטענים שווים על הגרעין והאלקטרונים במסלולים. תופעה זו נקראת קיטוב דיאלקטרי... כשהשדה נעלם, גם התזוזה נעלמת. המולקולות הופכות שוב לנייטרליות חשמלית.

מולקולות מקוטבות - דיפולים יוצרים שדה חשמלי משלהם, שכיוונו מנוגד לכיוון השדה הראשי (חיצוני), לכן השדה הנוסף, בשילוב עם הראשי, מחליש אותו.

ככל שהדיאלקטרי מקוטב יותר, כך השדה המתקבל חלש יותר, כך עוצמתו נמוכה יותר בכל נקודה עבור אותם מטענים שיוצרים את השדה הראשי, ולכן הקבוע הדיאלקטרי של דיאלקטרי כזה גדול יותר.

אם הדיאלקטרי נמצא בשדה חשמלי מתחלף, גם העקירה של האלקטרונים הופכת לסירוגין. תהליך זה מוביל לעלייה בתנועת החלקיקים ולכן לחימום הדיאלקטרי.

ככל שהשדה החשמלי משתנה לעתים קרובות יותר, כך הדיאלקטרי מתחמם יותר. בפועל, תופעה זו משמשת לחימום חומרים רטובים לייבושם או לקבלת תגובות כימיות המתרחשות בטמפרטורות גבוהות.

קרא גם: מהו אובדן דיאלקטרי בגלל מה שקורה

דיאלקטריות קוטביות ולא קוטביות

למרות שדיאלקטריים למעשה אינם מוליכים חשמל, בכל זאת, בהשפעת שדה חשמלי, הם משנים את תכונותיהם. בהתאם למבנה המולקולות ולאופי ההשפעה עליהן של השדה החשמלי, הדיאלקטריות מחולקות לשני סוגים: לא קוטבי וקוטבי (עם קיטוב אלקטרוני וכיוון).

בדיאלקטיקה לא קוטבית, אם לא בשדה חשמלי, האלקטרונים מסתובבים במסלולים עם מרכז חופף למרכז הגרעין. לכן, ניתן לראות את פעולת האלקטרונים הללו כפעולה של מטענים שליליים הממוקמים במרכז הגרעין.מכיוון שמרכזי הפעולה של חלקיקים בעלי מטען חיובי - פרוטונים - מרוכזים במרכז הגרעין, בחלל החיצון האטום נתפס כניטרלי מבחינה חשמלית.

כאשר חומרים אלו מוכנסים לשדה האלקטרוסטטי, האלקטרונים נעקרים בהשפעת כוחות השדה, ומרכזי הפעולה של האלקטרונים והפרוטונים אינם חופפים. בחלל החיצון, האטום במקרה זה נתפס כדיפול, כלומר, כמערכת של שני מטענים נקודתיים שווים -q ו-+q, הממוקמים זה מזה במרחק קטן מסוים a, השווה לעקירה של ה- מרכז מסלול האלקטרון ביחס למרכז הגרעין.

במערכת כזו מסתבר שהמטען החיובי נעז בכיוון עוצמת השדה, השלילי בכיוון ההפוך. ככל שעוצמת השדה החיצוני גדול יותר, כך התזוזה היחסית של המטענים בכל מולקולה גדולה יותר.

כאשר השדה נעלם, האלקטרונים חוזרים למצבי התנועה המקוריים שלהם ביחס לגרעין האטום והדיאלקטרי הופך שוב לנייטרלי. השינוי הנ"ל במאפיינים של דיאלקטרי בהשפעת שדה נקרא קיטוב אלקטרוני.

בדיאלקטיקה קוטבית, המולקולות הן דיפולים. בהיותו בתנועה תרמית כאוטית, מומנט הדיפול משנה את מיקומו כל הזמן, דבר זה מוביל לפיצוי של שדות הדיפולים של מולקולות בודדות ולעובדה שמחוץ לדיאלקטרי, כאשר אין שדה חיצוני, אין מקרוסקופי. שדה.

כאשר חומרים אלו נחשפים לשדה אלקטרוסטטי חיצוני, הדיפולים יסתובבו וימקמו את הצירים שלהם לאורך השדה. סידור מסודר זה יפריע לתנועה תרמית.

בעוצמת שדה נמוכה מתרחשת רק סיבוב של הדיפולים בזווית מסוימת בכיוון השדה, שנקבעת על ידי האיזון בין פעולת השדה החשמלי להשפעת התנועה התרמית.

ככל שעוצמת השדה עולה, סיבוב המולקולות ובהתאם לכך מידת הקיטוב גדלים. במקרים כאלה, המרחק a בין מטעני הדיפול נקבע לפי הערך הממוצע של הקרנות של צירי הדיפול על כיוון עוצמת השדה. בנוסף לסוג זה של קיטוב, הנקרא אוריינטציונלי, קיים גם קיטוב אלקטרוני בדיאלקטריות אלו הנגרם על ידי תזוזה של מטענים.

דפוסי הקיטוב שתוארו לעיל הם בסיסיים עבור כל החומרים המבודדים: גזי, נוזלי ומוצק. בדיאלקטריות נוזליות ומוצקות, בהן המרחקים הממוצעים בין מולקולות קטנים יותר מאשר בגזים, תופעת הקיטוב מסובכת, מכיוון שבנוסף להסטת מרכז מסלול האלקטרון ביחס לגרעין או לסיבוב הדיפולים הקוטביים, יש גם אינטראקציה בין המולקולות.

מכיוון שבמסה של דיאלקטרי, אטומים ומולקולות בודדים מקוטבים בלבד, ואינם מתפרקים ליונים בעלי מטען חיובי ושלילי, בכל אלמנט בנפח של דיאלקטרי מקוטב, המטענים של שני הסימנים שווים. לכן, הדיאלקטרי לאורך נפחו נשאר ניטרלי מבחינה חשמלית.

יוצאים מן הכלל הם המטענים של הקטבים של המולקולות הממוקמים על משטחי הגבול של הדיאלקטרי. מטענים כאלה יוצרים שכבות טעונות דקות במשטחים אלה. במדיום הומוגני, תופעת הקיטוב יכולה להיות מיוצגת כסדר הרמוני של דיפולים.

חוזק הפירוק של דיאלקטריות

בתנאים רגילים, לדיאלקטרי יש מוליכות חשמלית זניחה... תכונה זו נשארת עד להגדלת עוצמת השדה החשמלי לערך מגביל מסוים עבור כל דיאלקטרי.

בשדה חשמלי חזק, המולקולות של הדיאלקטרי מתפצלות ליונים, והגוף, שהיה דיאלקטרי בשדה חלש, הופך למוליך.

חוזק השדה החשמלי שבו מתחיל היינון של מולקולות דיאלקטריות נקרא מתח הפירוק (חוזק חשמלי) של הדיאלקטרי.

זה נקרא גודל עוצמת השדה החשמלי המותרת בדיאלקטרי כאשר משתמשים בו במתקנים חשמליים מתח מותר... המתח המותר בדרך כלל קטן פי כמה ממתח השבירה. נקבע היחס בין מתח הפריצה למרווח הבטיחות המותר... הלא-מוליכים (דיאלקטריים) הטובים ביותר הם ואקום וגזים, במיוחד בלחץ גבוה.

כשל דיאלקטרי

הפירוק מתרחש באופן שונה בחומרים גזים, נוזליים ומוצקים ותלוי במספר תנאים: בהומוגניות של הדיאלקטרי, לחץ, טמפרטורה, לחות, עובי הדיאלקטרי וכו'. לכן, בעת קביעת ערך החוזק הדיאלקטרי, אלה תנאים מסופקים בדרך כלל.

עבור חומרים הפועלים, למשל, בחדרים סגורים ואינם חשופים להשפעות אטמוספריות, נקבעים תנאים נורמליים (לדוגמה, טמפרטורה + 20 מעלות צלזיוס, לחץ 760 מ"מ). גם הלחות מתנרמלת, לפעמים תדירות וכו'.

לגזים יש חוזק חשמלי נמוך יחסית. אז שיפוע הפירוק של אוויר בתנאים רגילים הוא 30 קילו וולט / ס"מ.היתרון של גזים הוא שלאחר הרס שלהם, תכונות הבידוד שלהם משוחזרות במהירות.

לדיאלקטריים נוזליים יש חוזק חשמלי מעט גבוה יותר. תכונה ייחודית של נוזלים היא הסרה טובה של חום ממכשירים המחוממים כאשר הזרם עובר דרך החוטים. נוכחותם של זיהומים, במיוחד מים, מפחיתה באופן משמעותי את החוזק הדיאלקטרי של דיאלקטרי נוזלי. בנוזלים, כמו בגזים, תכונות הבידוד שלהם משוחזרות לאחר ההרס.

דיאלקטריות מוצקות מייצגות סוג רחב של חומרי בידוד, טבעיים ומעשה ידי אדם. לדיאלקטריות אלו מגוון רחב של תכונות חשמליות ומכניות.

השימוש בחומר זה או אחר תלוי בדרישות הבידוד של המתקן הנתון ובתנאי פעולתו. נציץ, זכוכית, פרפין, אבוניט, וכן חומרים אורגניים סיביים וסינתטיים שונים, בקליט, גטינקס וכו'. הם מאופיינים בחוזק חשמלי גבוה.

אם בנוסף לדרישה לשיפוע התמוטטות גבוה, מוטלת על החומר דרישה לחוזק מכני גבוה (לדוגמה, במבודדי תמיכה והשעיה, כדי להגן על ציוד מלחץ מכני), נעשה שימוש נרחב בפורצלן חשמלי.

הטבלה מציגה את ערכי חוזק הפירוק (בתנאים רגילים ובאפס קבוע קבוע) של כמה מהדיאלקטריות הנפוצות ביותר.

ערכי חוזק פירוק דיאלקטרי

חומר מתח פירוק, kv/mm נייר ספוג פרפין 10.0-25.0 אוויר 3.0 שמן מינרלי 6.0 -15.0 שיש 3.0 — 4.0 מיקניט 15.0 — 20.0 קרטון חשמלי 9 .0 — 14.0 נציץ 80.0 — זכוכית 40.0 — זכוכית 40.0 — זכוכית 20in.0 7.5 צפחה 1.5 - 3.0