Dielettrici e loro proprietà, polarizzazione e resistenza alla rottura dei dielettrici

Sostanze (corpi) con conduttività elettrica trascurabile sono chiamate dielettrici o isolanti.

I dielettrici o non conduttori rappresentano un'ampia classe di sostanze utilizzate nell'ingegneria elettrica che sono importanti per scopi pratici. Servono per isolare i circuiti elettrici, nonché per conferire proprietà speciali ai dispositivi elettrici, che consentono un utilizzo più completo del volume e del peso dei materiali con cui sono realizzati.

I dielettrici possono essere sostanze in tutti gli stati aggregati: gassosi, liquidi e solidi. In pratica, aria, anidride carbonica, idrogeno vengono utilizzati come dielettrici gassosi sia allo stato normale che compresso.

Tutti questi gas hanno una resistenza quasi infinita. Le proprietà elettriche dei gas sono isotropiche. Da sostanze liquide, acqua chimicamente pura, molte sostanze organiche, oli naturali e artificiali (olio per trasformatori, gufo, ecc.).

I dielettrici liquidi hanno anche proprietà isotrope.Le elevate qualità isolanti di queste sostanze dipendono dalla loro purezza.

Ad esempio, le proprietà isolanti dell'olio per trasformatori diminuiscono quando l'umidità viene assorbita dall'aria. I più utilizzati nella pratica sono i dielettrici solidi. Comprendono sostanze di origine inorganica (porcellana, quarzo, marmo, mica, vetro, ecc.) e organica (carta, ambra, gomma, varie sostanze organiche artificiali).

La maggior parte di queste sostanze ha elevate proprietà elettriche e meccaniche e viene utilizzata per l'isolamento di apparecchi elettricidestinati ad uso interno ed esterno.

Numerose sostanze mantengono le loro elevate proprietà isolanti non solo a temperature normali ma anche a temperature elevate (silicio, quarzo, composti di silicio silicio). I dielettrici solidi e liquidi hanno una certa quantità di elettroni liberi, motivo per cui la resistenza di un buon dielettrico è di circa 1015 - 1016 ohm x m.

In determinate condizioni, la separazione delle molecole in ioni avviene nei dielettrici (ad esempio, sotto l'influenza di alte temperature o in un campo forte), in questo caso i dielettrici perdono le loro proprietà isolanti e diventano autisti.

I dielettrici hanno la proprietà di essere polarizzati e in essi è possibile l'esistenza a lungo termine. campo elettrostatico.

Una caratteristica distintiva di tutti i dielettrici non è solo l'elevata resistenza al passaggio di corrente elettrica, determinata dalla presenza in essi di un piccolo numero elettroni, che si muovono liberamente attraverso l'intero volume del dielettrico, ma anche un cambiamento nelle loro proprietà sotto l'azione di un campo elettrico, che si chiama polarizzazione. La polarizzazione ha un grande effetto sul campo elettrico in un dielettrico.

Uno dei principali esempi dell'uso dei dielettrici nella pratica elettrica è l'isolamento di elementi di dispositivi elettrici da terra e l'uno dall'altro, a causa del quale la distruzione dell'isolamento interrompe il normale funzionamento degli impianti elettrici e provoca incidenti.
Per evitare ciò, nella progettazione di macchine e impianti elettrici, l'isolamento dei singoli elementi viene scelto in modo tale che, da un lato, l'intensità di campo nei dielettrici non superi da nessuna parte la loro rigidità dielettrica e, dall'altro, questo isolamento nelle singole connessioni dei dispositivi viene utilizzato il più completamente possibile (nessuna scorta in eccesso).
Per fare ciò, è necessario innanzitutto sapere come è distribuito il campo elettrico nel dispositivo, quindi, scegliendo i materiali appropriati e il loro spessore, il problema di cui sopra può essere risolto in modo soddisfacente.

Polarizzazione dielettrica

Se un campo elettrico viene creato nel vuoto, l'ampiezza e la direzione del vettore dell'intensità di campo in un dato punto dipende solo dall'ampiezza e dalla posizione delle cariche che creano il campo. Se il campo viene creato in qualsiasi dielettrico, nelle molecole di quest'ultimo si verificano processi fisici che influenzano il campo elettrico.

Sotto l'azione delle forze del campo elettrico, gli elettroni nelle orbite vengono spostati nella direzione opposta al campo. Di conseguenza, le molecole precedentemente neutre diventano dipoli con uguali cariche sul nucleo ed elettroni nelle orbite. Questo fenomeno è chiamato polarizzazione dielettrica... Quando il campo scompare, scompare anche lo spostamento. Le molecole tornano elettricamente neutre.

Molecole polarizzate: i dipoli creano il proprio campo elettrico, la cui direzione è opposta alla direzione del campo principale (esterno), quindi il campo aggiuntivo, combinandosi con quello principale, lo indebolisce.

Più il dielettrico è polarizzato, più debole è il campo risultante, minore è la sua intensità in qualsiasi punto per le stesse cariche che creano il campo principale, e quindi la costante dielettrica di tale dielettrico è maggiore.

Se il dielettrico si trova in un campo elettrico alternato, anche lo spostamento degli elettroni diventa alternato. Questo processo porta ad un aumento del movimento delle particelle e quindi al riscaldamento del dielettrico.

Più spesso cambia il campo elettrico, più il dielettrico si riscalda. In pratica, questo fenomeno viene utilizzato per riscaldare materiali umidi per asciugarli o per ottenere reazioni chimiche che avvengono a temperature elevate.

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Dielettrici polari e apolari

Sebbene i dielettrici praticamente non conducano elettricità, tuttavia, sotto l'influenza di un campo elettrico, cambiano le loro proprietà. A seconda della struttura delle molecole e della natura dell'effetto su di esse del campo elettrico, i dielettrici sono divisi in due tipi: non polari e polari (con polarizzazione elettronica e orientativa).

Nei dielettrici apolari, se non in un campo elettrico, gli elettroni ruotano in orbite con centro coincidente con il centro del nucleo. Pertanto, l'azione di questi elettroni può essere vista come l'azione di cariche negative situate al centro del nucleo.Poiché i centri di azione delle particelle caricate positivamente - i protoni - sono concentrati nel centro del nucleo, nello spazio esterno l'atomo è percepito come elettricamente neutro.

Quando queste sostanze vengono introdotte nel campo elettrostatico, gli elettroni vengono spostati sotto l'influenza delle forze del campo e i centri di azione degli elettroni e dei protoni non coincidono. Nello spazio, l'atomo in questo caso è percepito come un dipolo, cioè come un sistema di due cariche puntiformi uguali diverse -q e + q, situate l'una dall'altra a una certa piccola distanza a, pari allo spostamento del centro dell'orbita dell'elettrone rispetto al centro del nucleo.

In un tale sistema, la carica positiva risulta essere spostata nella direzione dell'intensità del campo, quella negativa nella direzione opposta. Maggiore è la forza del campo esterno, maggiore è lo spostamento relativo delle cariche in ciascuna molecola.

Quando il campo scompare, gli elettroni ritornano ai loro stati di moto originari rispetto al nucleo atomico e il dielettrico torna di nuovo neutro. Il suddetto cambiamento nelle proprietà di un dielettrico sotto l'influenza di un campo è chiamato polarizzazione elettronica.

Nei dielettrici polari, le molecole sono dipoli. Essendo in moto termico caotico, il momento di dipolo cambia continuamente posizione, il che porta alla compensazione dei campi dei dipoli delle singole molecole e al fatto che al di fuori del dielettrico, quando non c'è campo esterno, non c'è campo macroscopico campo.

Quando queste sostanze sono esposte a un campo elettrostatico esterno, i dipoli ruoteranno e posizioneranno i loro assi lungo il campo. Questa disposizione completamente ordinata sarà ostacolata dal movimento termico.

A bassa intensità di campo, solo la rotazione dei dipoli avviene ad un certo angolo nella direzione del campo, che è determinato dall'equilibrio tra l'azione del campo elettrico e l'effetto del moto termico.

All'aumentare dell'intensità del campo, aumenta la rotazione delle molecole e, di conseguenza, il grado di polarizzazione. In tali casi, la distanza a tra le cariche del dipolo è determinata dal valore medio delle proiezioni degli assi del dipolo sulla direzione dell'intensità di campo. Oltre a questo tipo di polarizzazione, che si chiama orientativa, esiste anche una polarizzazione elettronica in questi dielettrici causata dallo spostamento di cariche.

Gli schemi di polarizzazione sopra descritti sono basilari per tutte le sostanze isolanti: gassose, liquide e solide. Nei dielettrici liquidi e solidi, dove le distanze medie tra le molecole sono minori che nei gas, il fenomeno della polarizzazione è complicato, perché oltre allo spostamento del centro dell'orbita dell'elettrone rispetto al nucleo o alla rotazione dei dipoli polari, c'è anche un'interazione tra le molecole.

Poiché nella massa di un dielettrico, i singoli atomi e molecole sono solo polarizzati e non si scompongono in ioni caricati positivamente e negativamente, in ogni elemento del volume di un dielettrico polarizzato, le cariche di entrambi i segni sono uguali. Pertanto, il dielettrico in tutto il suo volume rimane elettricamente neutro.

Le eccezioni sono le cariche dei poli delle molecole situate sulle superfici di confine del dielettrico. Tali cariche formano sottili strati caricati su queste superfici. In un mezzo omogeneo, il fenomeno della polarizzazione può essere rappresentato come una disposizione armonica di dipoli.

La forza di rottura dei dielettrici

In condizioni normali, il dielettrico ha conduttività elettrica trascurabile… Questa proprietà rimane fino a quando l'intensità del campo elettrico non viene aumentata a un certo valore limite per ciascun dielettrico.

In un forte campo elettrico, le molecole del dielettrico si dividono in ioni e il corpo, che era un dielettrico in un campo debole, diventa un conduttore.

L'intensità del campo elettrico a cui inizia la ionizzazione delle molecole dielettriche è chiamata tensione di rottura (resistenza elettrica) del dielettrico.

Si chiama l'entità dell'intensità del campo elettrico consentita in un dielettrico quando viene utilizzata negli impianti elettrici tensione ammissibile... La tensione ammissibile è solitamente molte volte inferiore alla tensione di rottura. Viene determinato il rapporto tra la tensione di rottura e il margine di sicurezza consentito... I migliori non conduttori (dielettrici) sono il vuoto e i gas, specialmente ad alta pressione.

Guasto dielettrico

La rottura avviene in modo diverso nelle sostanze gassose, liquide e solide e dipende da una serie di condizioni: dall'omogeneità del dielettrico, pressione, temperatura, umidità, spessore del dielettrico, ecc. Pertanto, quando si determina il valore della rigidità dielettrica, questi le condizioni sono generalmente fornite.

Per i materiali che lavorano, ad esempio, in ambienti chiusi e non esposti agli influssi atmosferici, vengono stabilite condizioni normali (ad esempio temperatura + 20 ° C, pressione 760 mm). Anche l'umidità si normalizza, a volte la frequenza, ecc.

I gas hanno una forza elettrica relativamente bassa. Quindi il gradiente di rottura dell'aria in condizioni normali è di 30 kV/cm.Il vantaggio dei gas è che dopo la loro distruzione, le loro proprietà isolanti vengono rapidamente ripristinate.

I dielettrici liquidi hanno una resistenza elettrica leggermente superiore. Una caratteristica distintiva dei liquidi è la buona rimozione del calore dai dispositivi che vengono riscaldati quando la corrente passa attraverso i fili. La presenza di impurità, in particolare acqua, riduce notevolmente la rigidità dielettrica dei dielettrici liquidi. Nei liquidi, come nei gas, le loro proprietà isolanti vengono ripristinate dopo la distruzione.

I dielettrici solidi rappresentano un'ampia classe di materiali isolanti, sia naturali che artificiali. Questi dielettrici hanno un'ampia varietà di proprietà elettriche e meccaniche.

L'uso di questo o quel materiale dipende dai requisiti di isolamento dell'installazione data e dalle condizioni del suo funzionamento. Mica, vetro, paraffina, ebanite, nonché varie sostanze organiche fibrose e sintetiche, bachelite, getinax, ecc. Sono caratterizzati da un'elevata resistenza elettrica.

Se, oltre al requisito di un elevato gradiente di rottura, viene imposto al materiale un requisito di elevata resistenza meccanica (ad esempio, negli isolatori di supporto e sospensione, per proteggere le apparecchiature dalle sollecitazioni meccaniche), la porcellana elettrica è ampiamente utilizzata.

Nella tabella sono riportati i valori di rottura (in condizioni normali ea zero costante costante) di alcuni dei più comuni dielettrici.

Valori di resistenza alla rottura dielettrica

Materiale Tensione di rottura, kv / mm Carta impregnata di paraffina 10,0-25,0 Aria 3,0 Olio minerale 6,0 -15,0 Marmo 3,0 — 4,0 Mikanite 15,0 — 20,0 Cartone elettrico 9 ,0 — 14,0 Mica 80,0 — 200,0 Vetro 10,0 — 40,0 Porcellana 6,0 — 7,5 Ardesia 1. 5 — 3.0