Chất điện môi và tính chất của chúng, độ phân cực và độ bền đánh thủng của chất điện môi

Các chất (cơ thể) có độ dẫn điện không đáng kể được gọi là chất điện môi hoặc chất cách điện.

Chất điện môi hoặc chất không dẫn điện đại diện cho một nhóm lớn các chất được sử dụng trong kỹ thuật điện rất quan trọng cho các mục đích thực tế. Chúng dùng để cách điện các mạch điện, cũng như mang lại các đặc tính đặc biệt cho các thiết bị điện, cho phép sử dụng đầy đủ hơn khối lượng và trọng lượng của vật liệu mà chúng được tạo ra.

Chất điện môi có thể là chất ở tất cả các trạng thái tổng hợp: khí, lỏng và rắn. Trong thực tế, không khí, carbon dioxide, hydro được sử dụng làm chất điện môi khí cả ở trạng thái bình thường và trạng thái nén.

Tất cả các loại khí này có điện trở gần như vô hạn. Tính chất điện của chất khí là đẳng hướng. Từ các chất lỏng, nước tinh khiết về mặt hóa học, nhiều chất hữu cơ, dầu tự nhiên và nhân tạo (dầu biến áp, cú, v.v.).

Điện môi lỏng cũng có tính chất đẳng hướng.Chất lượng cách điện cao của các chất này phụ thuộc vào độ tinh khiết của chúng.

Ví dụ, đặc tính cách điện của dầu máy biến áp giảm khi độ ẩm được hấp thụ từ không khí. Được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế là điện môi rắn. Chúng bao gồm các chất có nguồn gốc vô cơ (sứ, thạch anh, đá cẩm thạch, mica, thủy tinh, v.v.) và hữu cơ (giấy, hổ phách, cao su, các chất hữu cơ nhân tạo khác nhau).

Hầu hết các chất này có tính chất điện và cơ học cao và được sử dụng để cách điện các thiết bị điệndành cho sử dụng nội bộ và bên ngoài.

Một số chất giữ được đặc tính cách điện cao không chỉ ở nhiệt độ thường mà còn ở nhiệt độ cao (các hợp chất silic, thạch anh, silic silic). Chất điện môi rắn và lỏng có một lượng electron tự do nhất định, đó là lý do tại sao điện trở của chất điện môi tốt vào khoảng 1015 - 1016 ohm x m.

Trong những điều kiện nhất định, sự phân tách các phân tử thành ion xảy ra trong chất điện môi (ví dụ, dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc trong trường mạnh), trong trường hợp này, chất điện môi mất đi tính chất cách điện và trở thành trình điều khiển.

Điện môi có đặc tính bị phân cực và có thể tồn tại lâu dài trong chúng. trường tĩnh điện.

Một đặc điểm khác biệt của tất cả các chất điện môi không chỉ là khả năng chống lại dòng điện cao, được xác định bởi sự hiện diện của chúng trong một số lượng nhỏ điện tử, di chuyển tự do trong toàn bộ thể tích của chất điện môi, nhưng cũng có sự thay đổi tính chất của chúng dưới tác dụng của điện trường, được gọi là sự phân cực. Sự phân cực có ảnh hưởng lớn đến điện trường trong chất điện môi.

Một trong những ví dụ chính về việc sử dụng chất điện môi trong thực hành điện là sự cách ly các phần tử của thiết bị điện với mặt đất và với nhau, do đó việc phá hủy lớp cách điện làm gián đoạn hoạt động bình thường của việc lắp đặt điện và dẫn đến tai nạn.
Để tránh điều này, trong thiết kế máy điện và lắp đặt, cách điện của các phần tử riêng lẻ được chọn sao cho một mặt, cường độ trường trong chất điện môi không vượt quá cường độ điện môi của chúng ở bất kỳ đâu, mặt khác, cách điện này trong các kết nối riêng lẻ của thiết bị được sử dụng hết mức có thể (không có hàng thừa).
Để làm được điều này, trước tiên bạn phải biết cách phân bố điện trường trong thiết bị, sau đó bằng cách chọn vật liệu và độ dày của chúng phù hợp, vấn đề trên có thể được giải quyết thỏa đáng.

phân cực điện môi

Nếu một điện trường được tạo ra trong chân không thì độ lớn và hướng của vectơ cường độ trường tại một điểm nhất định chỉ phụ thuộc vào độ lớn và vị trí của các điện tích tạo ra điện trường. Nếu trường được tạo ra trong bất kỳ chất điện môi nào, thì các quá trình vật lý xảy ra trong các phân tử của chất sau ảnh hưởng đến điện trường.

Dưới tác dụng của lực điện trường, các êlectron trên các quỹ đạo bị dịch chuyển ngược chiều điện trường. Kết quả là, các phân tử trung tính trước đây trở thành các lưỡng cực với điện tích bằng nhau trên hạt nhân và trên các quỹ đạo. Hiện tượng này được gọi là phân cực điện môi... Khi trường biến mất, sự dịch chuyển cũng biến mất. Các phân tử lại trở nên trung hòa về điện.

Các phân tử phân cực - các lưỡng cực tạo ra điện trường riêng của chúng, hướng của nó ngược với hướng của trường chính (bên ngoài), do đó, trường bổ sung, kết hợp với trường chính, làm suy yếu nó.

Chất điện môi càng phân cực, trường tạo thành càng yếu, cường độ của nó tại bất kỳ điểm nào đối với cùng các điện tích tạo ra trường chính càng thấp, và do đó hằng số điện môi của chất điện môi đó càng lớn.

Nếu chất điện môi nằm trong điện trường xoay chiều thì sự dịch chuyển của các electron cũng trở nên xoay chiều. Quá trình này dẫn đến sự gia tăng chuyển động của các hạt và do đó làm nóng chất điện môi.

Điện trường thay đổi càng thường xuyên thì chất điện môi càng nóng lên. Trong thực tế, hiện tượng này được sử dụng để làm nóng vật liệu ướt để làm khô chúng hoặc để thu được các phản ứng hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao.

Đọc thêm: Tổn thất điện môi là gì vì điều gì xảy ra

Điện môi phân cực và không phân cực

Mặc dù chất điện môi thực tế không dẫn điện, tuy nhiên, dưới tác động của điện trường, chúng thay đổi tính chất của chúng. Tùy thuộc vào cấu trúc của các phân tử và bản chất của tác dụng lên chúng của điện trường, điện môi được chia thành hai loại: không phân cực và phân cực (có phân cực điện tử và định hướng).

Trong điện môi không phân cực, nếu không đặt trong điện trường thì các êlectron quay theo những quỹ đạo có tâm trùng với tâm của hạt nhân. Do đó, hoạt động của các electron này có thể được coi là hoạt động của các điện tích âm nằm ở trung tâm của hạt nhân.Vì tâm hoạt động của các hạt tích điện dương — proton — tập trung ở tâm hạt nhân, nên ở ngoài vũ trụ, nguyên tử được coi là trung hòa về điện.

Khi các chất này được đưa vào trường tĩnh điện, các electron bị dịch chuyển dưới tác dụng của lực trường và tâm tác dụng của các electron và proton không trùng nhau. Trong không gian vũ trụ, nguyên tử trong trường hợp này được coi là một lưỡng cực, nghĩa là, như một hệ gồm hai điện tích điểm khác nhau bằng nhau -q và + q, nằm cách nhau một khoảng nhỏ nhất định a, bằng độ dịch chuyển của tâm của quỹ đạo electron so với tâm của hạt nhân.

Trong một hệ thống như vậy, điện tích dương hóa ra bị dịch chuyển theo hướng của cường độ trường, điện tích âm theo hướng ngược lại. Cường độ của trường ngoài càng lớn thì độ dịch chuyển tương đối của các điện tích trong mỗi phân tử càng lớn.

Khi trường biến mất, các electron trở lại trạng thái chuyển động ban đầu so với hạt nhân nguyên tử và chất điện môi lại trở nên trung tính. Sự thay đổi tính chất nói trên của một chất điện môi dưới tác dụng của trường gọi là sự phân cực điện tử.

Trong điện môi phân cực, các phân tử là lưỡng cực. Trong chuyển động nhiệt hỗn loạn, momen lưỡng cực luôn thay đổi vị trí của nó, dẫn đến sự bù trường của các lưỡng cực của các phân tử riêng lẻ và dẫn đến thực tế là bên ngoài điện môi, khi không có trường bên ngoài, không có vĩ mô. cánh đồng.

Khi các chất này tiếp xúc với trường tĩnh điện bên ngoài, các lưỡng cực sẽ quay và định vị trục của chúng dọc theo trường. Sự sắp xếp đầy đủ trật tự này sẽ bị cản trở bởi chuyển động nhiệt.

Ở cường độ trường thấp, chỉ xảy ra sự quay của các lưỡng cực ở một góc nhất định theo hướng của trường, góc này được xác định bởi sự cân bằng giữa tác dụng của điện trường và tác dụng của chuyển động nhiệt.

Khi cường độ trường tăng lên, sự quay của các phân tử và theo đó, mức độ phân cực tăng lên. Trong những trường hợp như vậy, khoảng cách a giữa các điện tích lưỡng cực được xác định bằng giá trị trung bình của các hình chiếu của các trục lưỡng cực lên hướng của cường độ trường. Ngoài loại phân cực này, được gọi là định hướng, còn có sự phân cực điện tử trong các chất điện môi này gây ra bởi sự dịch chuyển điện tích.

Các mô hình phân cực được mô tả ở trên là cơ bản cho tất cả các chất cách điện: khí, lỏng và rắn. Trong chất điện môi lỏng và rắn, trong đó khoảng cách trung bình giữa các phân tử nhỏ hơn trong chất khí, hiện tượng phân cực rất phức tạp, bởi vì ngoài sự dịch chuyển tâm của quỹ đạo electron so với hạt nhân hoặc sự quay của các lưỡng cực cực, còn có sự tương tác giữa các phân tử.

Vì trong khối lượng của một chất điện môi, các nguyên tử và phân tử riêng lẻ chỉ bị phân cực và không phân tách thành các ion mang điện tích dương và âm, nên trong mỗi phần tử của thể tích của một chất điện môi bị phân cực, các điện tích của cả hai dấu hiệu đều bằng nhau. Do đó, chất điện môi trong toàn bộ thể tích của nó vẫn trung hòa về điện.

Các trường hợp ngoại lệ là điện tích của các cực của các phân tử nằm trên các bề mặt biên của chất điện môi. Các điện tích như vậy tạo thành các lớp tích điện mỏng tại các bề mặt này. Trong một môi trường đồng nhất, hiện tượng phân cực có thể được biểu diễn dưới dạng sự sắp xếp điều hòa của các lưỡng cực.

Độ bền đánh thủng của chất điện môi

Ở điều kiện bình thường, chất điện môi có dẫn điện không đáng kể… Tính chất này vẫn duy trì cho đến khi cường độ điện trường tăng đến một giá trị giới hạn nhất định đối với mỗi chất điện môi.

Trong điện trường mạnh, các phân tử của chất điện môi phân tách thành các ion và vật thể vốn là chất điện môi trong trường yếu trở thành chất dẫn điện.

Cường độ của điện trường tại đó quá trình ion hóa các phân tử điện môi bắt đầu được gọi là điện áp đánh thủng (độ bền điện) của điện môi.

Nó được gọi là cường độ điện trường cho phép trong chất điện môi khi nó được sử dụng trong lắp đặt điện điện áp cho phép... Điện áp cho phép thường nhỏ hơn vài lần so với điện áp đánh thủng. Tỷ lệ của điện áp đánh thủng so với giới hạn an toàn cho phép được xác định... Chất không dẫn điện (chất điện môi) tốt nhất là chân không và khí, đặc biệt là ở áp suất cao.

sự cố điện môi

Sự đánh thủng xảy ra khác nhau trong các chất khí, chất lỏng và chất rắn và phụ thuộc vào một số điều kiện: tính đồng nhất của chất điện môi, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, độ dày của chất điện môi, v.v. Do đó, khi xác định giá trị của độ bền điện môi, điều kiện thường được cung cấp.

Đối với các vật liệu làm việc, ví dụ, trong phòng kín và không tiếp xúc với ảnh hưởng của khí quyển, các điều kiện bình thường được thiết lập (ví dụ: nhiệt độ + 20 ° C, áp suất 760 mm). Độ ẩm cũng bình thường hóa, đôi khi tần số, v.v.

Khí có độ bền điện tương đối thấp. Vậy gradien đánh thủng của không khí ở điều kiện bình thường là 30 kV/cm.Ưu điểm của khí là sau khi bị phá hủy, đặc tính cách điện của chúng nhanh chóng được phục hồi.

Chất điện môi lỏng có độ bền điện cao hơn một chút. Một tính năng đặc biệt của chất lỏng là loại bỏ nhiệt tốt khỏi các thiết bị được làm nóng khi dòng điện chạy qua dây dẫn. Sự có mặt của tạp chất, đặc biệt là nước, làm giảm đáng kể độ bền điện môi của chất điện môi lỏng. Trong chất lỏng, cũng như trong chất khí, tính chất cách điện của chúng được phục hồi sau khi bị phá hủy.

Điện môi rắn đại diện cho nhiều loại vật liệu cách điện, cả tự nhiên và nhân tạo. Những chất điện môi này có nhiều tính chất điện và cơ học khác nhau.

Việc sử dụng vật liệu này hoặc vật liệu kia phụ thuộc vào các yêu cầu cách nhiệt của việc lắp đặt nhất định và các điều kiện hoạt động của nó. Mica, thủy tinh, parafin, ebonit, cũng như các chất hữu cơ dạng sợi và tổng hợp khác nhau, bakelite, getinax, v.v. Chúng được đặc trưng bởi độ bền điện cao.

Nếu, ngoài yêu cầu về độ dốc đánh thủng cao, vật liệu còn yêu cầu về độ bền cơ học cao (ví dụ, trong chất cách điện đỡ và treo, để bảo vệ thiết bị khỏi ứng suất cơ học), sứ điện được sử dụng rộng rãi.

Bảng này cho thấy các giá trị cường độ đánh thủng (trong điều kiện bình thường và ở hằng số không đổi) của một số chất điện môi phổ biến nhất.

Giá trị cường độ sự cố điện môi

Vật liệu Điện áp đánh thủng, kv / mm Giấy tẩm paraffin 10.0-25.0 Không khí 3.0 Dầu khoáng 6.0 -15.0 Đá cẩm thạch 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 Các tông điện 9 .0 — 14.0 Mica 80.0 — 200.0 Thủy tinh 10.0 — 40.0 Sứ 6.0 — 7.5 Đá phiến 1,5 — 3.0