Dielektrika und ihre Eigenschaften, Polarisation und Durchschlagsfestigkeit von Dielektrika

Stoffe (Körper) mit vernachlässigbarer elektrischer Leitfähigkeit werden Dielektrika oder Isolatoren genannt.

Dielektrika bzw. Nichtleiter stellen eine große Klasse praktisch bedeutsamer Stoffe in der Elektrotechnik dar. Sie dienen der Isolierung von Stromkreisen und verleihen elektrischen Geräten besondere Eigenschaften, die eine vollständigere Nutzung des Volumens und Gewichts der Materialien, aus denen sie hergestellt sind, ermöglichen.

Dielektrika können Stoffe in allen Aggregatzuständen sein: gasförmig, flüssig und fest. In der Praxis werden als gasförmige Dielektrika Luft, Kohlendioxid und Wasserstoff sowohl im Normal- als auch im komprimierten Zustand verwendet.

Alle diese Gase haben einen nahezu unendlichen Widerstand. Die elektrischen Eigenschaften von Gasen sind isotrop. Aus flüssigen Stoffen, chemisch reinem Wasser, vielen organischen Stoffen, natürlichen und künstlichen Ölen (Transformatoröl, Eule usw.).

Flüssige Dielektrika haben auch isotrope Eigenschaften.Die hohen Isoliereigenschaften dieser Stoffe hängen von ihrer Reinheit ab.

Beispielsweise nehmen die Isoliereigenschaften von Transformatorenöl ab, wenn Feuchtigkeit aus der Luft aufgenommen wird. In der Praxis am weitesten verbreitet sind feste Dielektrika. Dazu gehören Stoffe anorganischen (Porzellan, Quarz, Marmor, Glimmer, Glas usw.) und organischen (Papier, Bernstein, Gummi, verschiedene künstliche organische Stoffe) Ursprungs.

Die meisten dieser Stoffe haben hohe elektrische und mechanische Eigenschaften und werden verwendet zur Isolierung von Elektrogerätenfür den internen und externen Gebrauch bestimmt.

Eine Reihe von Stoffen behalten ihre hohen Isoliereigenschaften nicht nur bei normalen, sondern auch bei erhöhten Temperaturen (Silizium, Quarz, Silizium-Silizium-Verbindungen). Feste und flüssige Dielektrika verfügen über eine gewisse Menge an freien Elektronen, weshalb der Widerstand eines guten Dielektrikums etwa 1015 – 1016 Ohm x m beträgt.

Unter bestimmten Bedingungen kommt es in Dielektrika zur Trennung von Molekülen in Ionen (z. B. unter dem Einfluss hoher Temperatur oder in einem starken Feld), in diesem Fall verlieren Dielektrika ihre isolierenden Eigenschaften und werden Fahrer.

Dielektrika haben die Eigenschaft, polarisiert zu sein und in ihnen ist eine langfristige Existenz möglich. elektrostatisches Feld.

Ein charakteristisches Merkmal aller Dielektrika ist nicht nur der hohe Widerstand gegen den Durchgang von elektrischem Strom, der durch das Vorhandensein einer geringen Anzahl in ihnen bestimmt wird Elektronen, die sich frei durch das gesamte Volumen des Dielektrikums bewegen, aber auch eine Änderung ihrer Eigenschaften unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, die als Polarisation bezeichnet wird. Die Polarisation hat einen großen Einfluss auf das elektrische Feld in einem Dielektrikum.

Eines der Hauptbeispiele für den Einsatz von Dielektrika in der Elektropraxis ist die Isolierung von Elementen elektrischer Geräte vom Boden und voneinander, wodurch die Zerstörung der Isolierung den normalen Betrieb elektrischer Anlagen stört und zu Unfällen führt.
Um dies zu vermeiden, wird bei der Konstruktion elektrischer Maschinen und Anlagen die Isolierung einzelner Elemente so gewählt, dass einerseits die Feldstärke in den Dielektrika an keiner Stelle deren Spannungsfestigkeit übersteigt und andererseits diese Isolierung In den einzelnen Anschlüssen der Geräte erfolgt eine möglichst vollständige Nutzung (keine Überbestände).
Dazu muss man zunächst wissen, wie sich das elektrische Feld im Gerät verteilt. Durch die Auswahl geeigneter Materialien und deren Dicke kann das oben genannte Problem dann zufriedenstellend gelöst werden.

Dielektrische Polarisation

Wenn im Vakuum ein elektrisches Feld erzeugt wird, hängen Größe und Richtung des Feldstärkevektors an einem bestimmten Punkt nur von der Größe und dem Ort der Ladungen ab, die das Feld erzeugen. Wird das Feld in einem beliebigen Dielektrikum erzeugt, so treten in dessen Molekülen physikalische Prozesse auf, die das elektrische Feld beeinflussen.

Unter der Wirkung elektrischer Feldkräfte werden Elektronen in Umlaufbahnen in die dem Feld entgegengesetzte Richtung verschoben. Dadurch werden aus zuvor neutralen Molekülen Dipole mit gleicher Ladung am Kern und Elektronen in den Bahnen. Dieses Phänomen nennt man dielektrische Polarisation... Wenn das Feld verschwindet, verschwindet auch die Verschiebung. Die Moleküle werden wieder elektrisch neutral.

Polarisierte Moleküle – Dipole erzeugen ihr eigenes elektrisches Feld, dessen Richtung der Richtung des Hauptfeldes (äußeren Feldes) entgegengesetzt ist, daher schwächt das zusätzliche Feld, das sich mit dem Hauptfeld verbindet, dieses.

Je polarisierter das Dielektrikum ist, desto schwächer ist das resultierende Feld, desto geringer ist seine Intensität an jedem Punkt für die gleichen Ladungen, die das Hauptfeld erzeugen, und daher ist die Dielektrizitätskonstante eines solchen Dielektrikums größer.

Befindet sich das Dielektrikum in einem elektrischen Wechselfeld, erfolgt auch die Verschiebung der Elektronen alternierend. Dieser Vorgang führt zu einer Erhöhung der Partikelbewegung und damit zu einer Erwärmung des Dielektrikums.

Je öfter sich das elektrische Feld ändert, desto stärker erwärmt sich das Dielektrikum. In der Praxis wird dieses Phänomen genutzt, um nasse Materialien zu erhitzen, um sie zu trocknen, oder um chemische Reaktionen herbeizuführen, die bei erhöhten Temperaturen ablaufen.

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Polare und unpolare Dielektrika

Obwohl Dielektrika praktisch keinen Strom leiten, verändern sie unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Eigenschaften. Abhängig von der Struktur der Moleküle und der Art der Wirkung des elektrischen Feldes auf sie werden Dielektrika in zwei Typen unterteilt: unpolar und polar (mit elektronischer und Orientierungspolarisation).

In unpolaren Dielektrika drehen sich die Elektronen, wenn sie nicht in einem elektrischen Feld sind, auf Bahnen, deren Zentrum mit dem Zentrum des Kerns zusammenfällt. Daher kann die Wirkung dieser Elektronen als Wirkung negativer Ladungen angesehen werden, die sich im Zentrum des Kerns befinden.Da die Wirkungszentren positiv geladener Teilchen – Protonen – im Zentrum des Kerns konzentriert sind, wird das Atom im Weltraum als elektrisch neutral wahrgenommen.

Beim Einbringen dieser Stoffe in das elektrostatische Feld werden die Elektronen unter dem Einfluss der Feldkräfte verschoben und die Wirkungszentren der Elektronen und Protonen fallen nicht zusammen. Im Weltraum wird das Atom in diesem Fall als Dipol wahrgenommen, d Mittelpunkt der Elektronenbahn relativ zum Mittelpunkt des Kerns.

In einem solchen System wird die positive Ladung in Richtung der Feldstärke verschoben, die negative in die entgegengesetzte Richtung. Je größer die Stärke des äußeren Feldes ist, desto größer ist die relative Verschiebung der Ladungen in jedem Molekül.

Wenn das Feld verschwindet, kehren die Elektronen in ihre ursprünglichen Bewegungszustände relativ zum Atomkern zurück und das Dielektrikum wird wieder neutral. Die obige Änderung der Eigenschaften eines Dielektrikums unter dem Einfluss eines Feldes wird als elektronische Polarisation bezeichnet.

In polaren Dielektrika sind die Moleküle Dipole. Da sich das Dipolmoment in chaotischer thermischer Bewegung befindet, ändert es ständig seine Position. Dies führt zur Kompensation der Felder der Dipole einzelner Moleküle und dazu, dass außerhalb des Dielektrikums, wenn kein äußeres Feld vorhanden ist, kein makroskopisches Feld vorhanden ist Feld.

Wenn diese Substanzen einem externen elektrostatischen Feld ausgesetzt werden, drehen sich die Dipole und positionieren ihre Achsen entlang des Feldes. Diese vollständig geordnete Anordnung wird durch thermische Bewegung behindert.

Bei geringer Feldstärke erfolgt nur eine Drehung der Dipole um einen bestimmten Winkel in Feldrichtung, der durch das Gleichgewicht zwischen der Wirkung des elektrischen Feldes und der Wirkung der thermischen Bewegung bestimmt wird.

Mit zunehmender Feldstärke nehmen die Rotation der Moleküle und damit der Polarisationsgrad zu. In solchen Fällen wird der Abstand a zwischen den Dipolladungen durch den Mittelwert der Projektionen der Dipolachsen auf die Richtung der Feldstärke bestimmt. Zusätzlich zu dieser Art der Polarisation, die als Orientierung bezeichnet wird, gibt es in diesen Dielektrika auch eine elektronische Polarisation, die durch die Verschiebung von Ladungen verursacht wird.

Die oben beschriebenen Polarisationsmuster gelten grundsätzlich für alle Isolierstoffe: gasförmig, flüssig und fest. In flüssigen und festen Dielektrika, in denen die durchschnittlichen Abstände zwischen Molekülen kleiner sind als in Gasen, ist das Phänomen der Polarisation kompliziert, da zusätzlich zur Verschiebung des Zentrums der Elektronenbahn relativ zum Kern oder der Drehung der polaren Dipole Es gibt auch eine Wechselwirkung zwischen den Molekülen.

Da in der Masse eines Dielektrikums einzelne Atome und Moleküle nur polarisiert sind und nicht in positiv und negativ geladene Ionen zerfallen, sind in jedem Element des Volumens eines polarisierten Dielektrikums die Ladungen beider Vorzeichen gleich. Daher bleibt das Dielektrikum in seinem gesamten Volumen elektrisch neutral.

Ausnahmen bilden die Ladungen der Pole der Moleküle, die sich an den Grenzflächen des Dielektrikums befinden. Solche Ladungen bilden an diesen Oberflächen dünne geladene Schichten. In einem homogenen Medium kann das Phänomen der Polarisation als harmonische Anordnung von Dipolen dargestellt werden.

Die Durchschlagsfestigkeit von Dielektrika

Unter normalen Bedingungen hat das Dielektrikum vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit… Diese Eigenschaft bleibt bestehen, bis die elektrische Feldstärke für jedes Dielektrikum auf einen bestimmten Grenzwert erhöht wird.

In einem starken elektrischen Feld spalten sich die Moleküle des Dielektrikums in Ionen auf und der Körper, der in einem schwachen Feld ein Dielektrikum war, wird zum Leiter.

Die Stärke des elektrischen Feldes, bei der die Ionisierung dielektrischer Moleküle beginnt, wird als Durchbruchspannung (elektrische Stärke) des Dielektrikums bezeichnet.

Dies ist die Größe der elektrischen Feldstärke, die in einem Dielektrikum zulässig ist, wenn es in Elektroinstallationen verwendet wird. Die zulässige Spannung ist normalerweise um ein Vielfaches niedriger als die Abschaltspannung. Bestimmt wird das Verhältnis der Durchbruchspannung zur zulässigen Sicherheitsmarge... Die besten Nichtleiter (Dielektrika) sind Vakuum und Gase, insbesondere bei hohem Druck.

Dielektrischer Fehler

Der Abbau erfolgt in gasförmigen, flüssigen und festen Stoffen unterschiedlich und hängt von einer Reihe von Bedingungen ab: von der Homogenität des Dielektrikums, Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Dicke des Dielektrikums usw. Daher werden bei der Bestimmung des Wertes der Durchschlagsfestigkeit diese berücksichtigt Bedingungen werden in der Regel bereitgestellt.

Für Materialien, die beispielsweise in geschlossenen Räumen arbeiten und keinen atmosphärischen Einflüssen ausgesetzt sind, gelten normale Bedingungen (z. B. Temperatur + 20 ° C, Druck 760 mm). Auch die Luftfeuchtigkeit normalisiert sich, manchmal auch die Frequenz usw.

Gase haben eine relativ geringe elektrische Festigkeit. Der Durchbruchgradient von Luft beträgt unter normalen Bedingungen also 30 kV/cm.Der Vorteil von Gasen besteht darin, dass nach ihrer Zerstörung ihre isolierenden Eigenschaften schnell wiederhergestellt werden.

Flüssige Dielektrika haben eine etwas höhere elektrische Festigkeit. Eine Besonderheit von Flüssigkeiten ist die gute Wärmeableitung von Geräten, die erhitzt werden, wenn Strom durch die Drähte fließt. Das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere Wasser, verringert die Durchschlagsfestigkeit flüssiger Dielektrika erheblich. In Flüssigkeiten wie auch in Gasen werden ihre isolierenden Eigenschaften nach der Zerstörung wiederhergestellt.

Feste Dielektrika stellen eine große Klasse von Isoliermaterialien dar, sowohl natürlicher als auch künstlicher Natur. Diese Dielektrika weisen vielfältige elektrische und mechanische Eigenschaften auf.

Die Verwendung dieses oder jenes Materials hängt von den Isolationsanforderungen der jeweiligen Anlage und den Betriebsbedingungen ab. Glimmer, Glas, Paraffin, Ebonit sowie verschiedene faserige und synthetische organische Substanzen, Bakelit, Getinax usw. Sie zeichnen sich durch eine hohe elektrische Festigkeit aus.

Wenn neben der Forderung nach einem hohen Durchschlagsgradienten auch eine hohe mechanische Festigkeit an das Material gestellt wird (z. B. bei Stütz- und Aufhängungsisolatoren, um Geräte vor mechanischer Beanspruchung zu schützen), kommt häufig Elektroporzellan zum Einsatz.

Die Tabelle zeigt die Durchschlagfestigkeitswerte (unter normalen Bedingungen und bei konstantem Nullpunkt) einiger der gebräuchlichsten Dielektrika.

Werte der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit

Material Durchschlagspannung, kv/mm Mit Paraffin imprägniertes Papier 10,0–25,0 Luft 3,0 Mineralöl 6,0–15,0 Marmor 3,0–4,0 Mikanit 15,0–20,0 Elektrokarton 9,0–14,0 Glimmer 80,0–200,0 Glas 10,0–40,0 Porzellan 6,0–7,5 Schiefer 1. 5 — 3,0