Mga dielectric at ang kanilang mga katangian, polariseysyon at lakas ng pagkasira ng dielectrics
Ang mga sangkap (katawan) na may hindi gaanong conductivity ng kuryente ay tinatawag na dielectrics o insulators.
Ang mga dielectric o non-conductor ay kumakatawan sa isang malaking klase ng mga substance na ginagamit sa electrical engineering na mahalaga para sa mga praktikal na layunin. Nagsisilbi ang mga ito upang i-insulate ang mga de-koryenteng circuit, gayundin ang pagbibigay ng mga espesyal na katangian sa mga de-koryenteng aparato, na nagbibigay-daan sa mas kumpletong paggamit ng dami at bigat ng mga materyales kung saan sila ginawa.
Ang mga dielectric ay maaaring mga sangkap sa lahat ng pinagsama-samang estado: gas, likido at solid. Sa pagsasagawa, ang hangin, carbon dioxide, hydrogen ay ginagamit bilang mga gaseous dielectrics pareho sa normal at naka-compress na estado.
Ang lahat ng mga gas na ito ay may halos walang katapusang pagtutol. Ang mga de-koryenteng katangian ng mga gas ay isotropic. Mula sa mga likidong sangkap, kemikal na dalisay na tubig, maraming mga organikong sangkap, natural at artipisyal na mga langis (langis ng transpormer, kuwago, atbp.).
Ang mga likidong dielectric ay mayroon ding isotropic na mga katangian.Ang mataas na mga katangian ng insulating ng mga sangkap na ito ay nakasalalay sa kanilang kadalisayan.
Halimbawa, ang mga katangian ng insulating ng langis ng transpormer ay bumababa kapag ang kahalumigmigan ay nasisipsip mula sa hangin. Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit sa pagsasanay ay solid dielectrics. Kabilang dito ang mga sangkap ng inorganic (porselana, kuwarts, marmol, mika, salamin, atbp.) At organic (papel, amber, goma, iba't ibang mga artipisyal na organikong sangkap) na pinagmulan.
Karamihan sa mga sangkap na ito ay may mataas na elektrikal at mekanikal na mga katangian at ginagamit para sa pagkakabukod ng mga electrical appliancesnilayon para sa panloob at panlabas na paggamit.
Ang isang bilang ng mga sangkap ay nagpapanatili ng kanilang mataas na mga katangian ng insulating hindi lamang sa normal kundi pati na rin sa mataas na temperatura (silicon, quartz, silicon silicon compound). Ang mga solid at likidong dielectric ay may tiyak na dami ng mga libreng electron, kaya naman ang paglaban ng isang mahusay na dielectric ay humigit-kumulang 1015 - 1016 ohm x m.
Sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang paghihiwalay ng mga molekula sa mga ion ay nangyayari sa mga dielectric (halimbawa, sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura o sa isang malakas na larangan), sa kasong ito ang mga dielectric ay nawawala ang kanilang mga katangian ng insulating at nagiging mga driver.
Ang mga dielectric ay may pag-aari ng pagiging polarized at ang pangmatagalang pag-iral ay posible sa kanila. electrostatic field.
Ang isang natatanging tampok ng lahat ng dielectrics ay hindi lamang ang mataas na pagtutol sa pagpasa ng electric current, na tinutukoy ng pagkakaroon sa kanila ng isang maliit na bilang mga electron, malayang gumagalaw sa buong dami ng dielectric, ngunit din ng pagbabago sa kanilang mga katangian sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field, na tinatawag na polariseysyon. Ang polariseysyon ay may malaking epekto sa electric field sa isang dielectric.
Ang isa sa mga pangunahing halimbawa ng paggamit ng dielectrics sa electrical practice ay ang paghihiwalay ng mga elemento ng mga de-koryenteng device mula sa lupa at mula sa bawat isa, dahil sa kung saan ang pagkasira ng pagkakabukod ay nakakagambala sa normal na operasyon ng mga electrical installation at humahantong sa mga aksidente.
Upang maiwasan ito, sa disenyo ng mga de-koryenteng makina at pag-install, ang pagkakabukod ng mga indibidwal na elemento ay pinili upang, sa isang banda, ang lakas ng field sa dielectrics ay hindi lalampas sa kanilang dielectric na lakas kahit saan, at sa kabilang banda, ang pagkakabukod na ito sa mga indibidwal na koneksyon ng mga aparato ay ginagamit nang buo hangga't maaari (walang labis na stock).
Upang gawin ito, dapat mo munang malaman kung paano ipinamahagi ang electric field sa aparato. Pagkatapos, sa pamamagitan ng pagpili ng naaangkop na mga materyales at ang kanilang kapal, ang problema sa itaas ay maaaring malutas nang kasiya-siya.
Dielectric polarization
Kung ang isang electric field ay nilikha sa isang vacuum, kung gayon ang magnitude at direksyon ng field strength vector sa isang partikular na punto ay nakasalalay lamang sa magnitude at lokasyon ng mga singil na lumilikha ng field. Kung ang patlang ay nilikha sa anumang dielectric, pagkatapos ay ang mga pisikal na proseso ay nangyayari sa mga molekula ng huli na nakakaapekto sa electric field.
Sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersa ng electric field, ang mga electron sa mga orbit ay inilipat sa direksyon na kabaligtaran sa field. Bilang resulta, ang mga dating neutral na molekula ay nagiging mga dipoles na may pantay na singil sa nucleus at mga electron sa mga orbit. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na dielectric polarization... Kapag nawala ang field, nawawala rin ang displacement. Ang mga molekula ay muling nagiging neutral sa kuryente.
Ang mga polarized na molekula - ang mga dipoles ay lumikha ng kanilang sariling electric field, ang direksyon kung saan ay kabaligtaran sa direksyon ng pangunahing (panlabas) na patlang, samakatuwid ang karagdagang larangan, na pinagsama sa pangunahing, ay nagpapahina nito.
Kung mas polarized ang dielectric, mas mahina ang nagreresultang field, mas mababa ang intensity nito sa anumang punto para sa parehong mga singil na lumikha ng pangunahing field, at samakatuwid ang dielectric constant ng naturang dielectric ay mas malaki.
Kung ang dielectric ay nasa isang alternating electric field, ang displacement ng mga electron ay nagiging alternating din. Ang prosesong ito ay humahantong sa isang pagtaas sa paggalaw ng mga particle at samakatuwid ay sa pag-init ng dielectric.
Kung mas madalas na nagbabago ang electric field, mas umiinit ang dielectric. Sa pagsasagawa, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ginagamit upang magpainit ng mga basang materyales upang matuyo ang mga ito o upang makakuha ng mga reaksiyong kemikal na nagaganap sa mataas na temperatura.
Basahin din: Ano ang dielectric loss dahil sa nangyayari
Polar at non-polar dielectrics
Bagaman ang mga dielectric ay halos hindi nagsasagawa ng kuryente, gayunpaman, sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field, binabago nila ang kanilang mga katangian. Depende sa istraktura ng mga molekula at ang likas na katangian ng epekto sa kanila ng electric field, ang mga dielectric ay nahahati sa dalawang uri: non-polar at polar (na may electronic at orientational polarization).
Sa non-polar dielectrics, kung hindi sa isang electric field, ang mga electron ay umiikot sa mga orbit na may sentro na tumutugma sa gitna ng nucleus. Samakatuwid, ang pagkilos ng mga electron na ito ay makikita bilang pagkilos ng mga negatibong singil na matatagpuan sa gitna ng nucleus.Dahil ang mga sentro ng pagkilos ng mga particle na may positibong sisingilin - mga proton - ay puro sa gitna ng nucleus, sa kalawakan ang atom ay itinuturing na neutral sa kuryente.
Kapag ang mga sangkap na ito ay ipinakilala sa electrostatic field, ang mga electron ay inilipat sa ilalim ng impluwensya ng mga puwersa ng field, at ang mga sentro ng pagkilos ng mga electron at proton ay hindi nag-tutugma. Sa kalawakan, ang atom sa kasong ito ay itinuturing bilang isang dipole, iyon ay, bilang isang sistema ng dalawang magkaibang magkaibang punto na singil -q at + q, na matatagpuan mula sa isa't isa sa isang tiyak na maliit na distansya a, katumbas ng pag-aalis ng sentro ng orbit ng elektron na may kaugnayan sa gitna ng nucleus.
Sa ganitong sistema, ang positibong singil ay lumalabas na inilipat sa direksyon ng lakas ng field, ang negatibo sa kabaligtaran na direksyon. Kung mas malaki ang lakas ng panlabas na patlang, mas malaki ang relatibong pag-aalis ng mga singil sa bawat molekula.
Kapag nawala ang field, ang mga electron ay bumalik sa kanilang orihinal na estado ng paggalaw na may kaugnayan sa atomic nucleus at ang dielectric ay nagiging neutral muli. Ang pagbabago sa itaas sa mga katangian ng isang dielectric sa ilalim ng impluwensya ng isang larangan ay tinatawag na electronic polarization.
Sa polar dielectrics, ang mga molekula ay dipoles. Ang pagiging nasa magulong thermal motion, ang dipole moment ay nagbabago sa posisyon nito sa lahat ng oras. Ito ay humahantong sa kompensasyon ng mga patlang ng mga dipoles ng mga indibidwal na molekula at sa katotohanan na sa labas ng dielectric, kapag walang panlabas na larangan, walang macroscopic patlang.
Kapag ang mga sangkap na ito ay nalantad sa isang panlabas na electrostatic field, ang mga dipoles ay iikot at iposisyon ang kanilang mga axes sa kahabaan ng field. Ang fully ordered arrangement na ito ay mahahadlangan ng thermal motion.
Sa mababang lakas ng field, ang pag-ikot lamang ng mga dipoles ay nangyayari sa isang tiyak na anggulo sa direksyon ng field, na tinutukoy ng balanse sa pagitan ng pagkilos ng electric field at ang epekto ng thermal motion.
Habang tumataas ang lakas ng field, ang pag-ikot ng mga molekula at, nang naaayon, ang antas ng polarisasyon ay tumataas. Sa ganitong mga kaso, ang distansya sa pagitan ng mga singil sa dipole ay tinutukoy ng average na halaga ng mga projection ng dipole axes sa direksyon ng lakas ng field. Bilang karagdagan sa ganitong uri ng polariseysyon, na tinatawag na orientational, mayroon ding electronic polarization sa mga dielectric na ito na dulot ng pag-aalis ng mga singil.
Ang mga pattern ng polarization na inilarawan sa itaas ay basic para sa lahat ng insulating substance: gaseous, liquid at solid. Sa likido at solid na dielectrics, kung saan ang average na distansya sa pagitan ng mga molekula ay mas maliit kaysa sa mga gas, ang kababalaghan ng polariseysyon ay kumplikado, dahil bilang karagdagan sa paglipat ng sentro ng orbit ng elektron na may kaugnayan sa nucleus o ang pag-ikot ng mga polar dipoles, mayroon ding interaksyon sa pagitan ng mga molekula.
Dahil sa masa ng isang dielectric, ang mga indibidwal na atomo at molekula ay polarized lamang, at hindi nahahati sa positibo at negatibong sisingilin na mga ion, sa bawat elemento ng dami ng isang polarized dielectric, ang mga singil ng parehong mga palatandaan ay pantay. Samakatuwid, ang dielectric sa buong dami nito ay nananatiling neutral sa kuryente.
Ang mga pagbubukod ay ang mga singil ng mga pole ng mga molekula na matatagpuan sa mga hangganang ibabaw ng dielectric. Ang ganitong mga singil ay bumubuo ng mga manipis na sisingilin na mga layer sa mga ibabaw na ito. Sa isang homogenous na daluyan, ang kababalaghan ng polariseysyon ay maaaring kinakatawan bilang isang maharmonya na pag-aayos ng mga dipoles.
Ang lakas ng pagkasira ng dielectrics
Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang dielectric ay may bale-wala ang kondaktibiti ng kuryente… Nananatili ang property na ito hanggang sa tumaas ang lakas ng electric field sa isang tiyak na limitasyon ng halaga para sa bawat dielectric.
Sa isang malakas na electric field, ang mga molekula ng dielectric ay nahati sa mga ions, at ang katawan, na isang dielectric sa isang mahinang field, ay nagiging isang conductor.
Ang lakas ng electric field kung saan nagsisimula ang ionization ng dielectric molecules ay tinatawag na breakdown voltage (electrical strength) ng dielectric.
Ito ay tinatawag na magnitude ng lakas ng electric field na pinapayagan sa isang dielectric kapag ito ay ginagamit sa mga electrical installation na pinapayagang boltahe... Ang pinapayagang boltahe ay kadalasang ilang beses na mas mababa kaysa sa breaking na boltahe. Ang ratio ng breakdown boltahe sa pinahihintulutang margin ng kaligtasan ay tinutukoy... Ang pinakamahusay na hindi konduktor (dielectrics) ay vacuum at mga gas, lalo na sa mataas na presyon.
Dielectric na pagkabigo
Ang pagkasira ay nangyayari nang iba sa mga gas, likido at solidong mga sangkap at depende sa isang bilang ng mga kondisyon: sa homogeneity ng dielectric, presyon, temperatura, kahalumigmigan, kapal ng dielectric, atbp. Samakatuwid, kapag tinutukoy ang halaga ng dielectric na lakas, ang mga ito kundisyon ay karaniwang ibinibigay.
Para sa mga materyales na gumagana, halimbawa, sa mga saradong silid at hindi nakalantad sa mga impluwensya sa atmospera, ang mga normal na kondisyon ay itinatag (halimbawa, temperatura + 20 ° C, presyon 760 mm). Nag-normalize din ang humidity, minsan dalas, atbp.
Ang mga gas ay may medyo mababang lakas ng kuryente. Kaya ang breakdown gradient ng hangin sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay 30 kV / cm.Ang bentahe ng mga gas ay pagkatapos ng kanilang pagkawasak, ang kanilang mga insulating properties ay mabilis na naibalik.
Ang mga likidong dielectric ay may bahagyang mas mataas na lakas ng kuryente. Ang isang natatanging tampok ng mga likido ay ang mahusay na pag-alis ng init mula sa mga aparato na pinainit kapag ang kasalukuyang ay dumadaan sa mga wire. Ang pagkakaroon ng mga impurities, sa partikular na tubig, ay makabuluhang binabawasan ang dielectric na lakas ng mga likidong dielectric. Sa mga likido, tulad ng sa mga gas, ang kanilang mga insulating properties ay naibalik pagkatapos ng pagkawasak.
Ang solid dielectrics ay kumakatawan sa isang malawak na klase ng mga insulating material, parehong natural at gawa ng tao. Ang mga dielectric na ito ay may malawak na iba't ibang mga katangian ng elektrikal at mekanikal.
Ang paggamit ng ito o ang materyal na iyon ay nakasalalay sa mga kinakailangan sa pagkakabukod ng ibinigay na pag-install at ang mga kondisyon ng operasyon nito. Mika, salamin, paraffin, ebonite, pati na rin ang iba't ibang fibrous at synthetic na organikong sangkap, bakelite, getinax, atbp. Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na lakas ng kuryente.
Kung, bilang karagdagan sa kinakailangan para sa isang mataas na gradient ng pagkasira, ang isang kinakailangan para sa mataas na lakas ng makina ay ipinapataw sa materyal (halimbawa, sa mga insulator ng suporta at suspensyon, upang maprotektahan ang mga kagamitan mula sa mekanikal na stress), ang de-koryenteng porselana ay malawakang ginagamit.
Ipinapakita ng talahanayan ang mga halaga ng lakas ng pagkasira (sa ilalim ng normal na mga kondisyon at sa pare-parehong zero) ng ilan sa mga pinakakaraniwang dielectrics.
Mga halaga ng lakas ng pagkasira ng dielectric
Materyal Breakdown boltahe, kv / mm Papel na pinapagbinhi ng paraffin 10.0-25.0 Air 3.0 Mineral oil 6.0 -15.0 Marble 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 Electrical cardboard 9 .0 — 14.0 Mica 80.0 — 10.0.0 Porcelain 80.0 — 200.0 huli 1.5 — 3.0