ไดอิเล็กตริกและสมบัติของไดอิเล็กตริก โพลาไรเซชัน และกำลังการแตกตัวของไดอิเล็กตริก

สาร (ร่างกาย) ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเล็กน้อยเรียกว่าไดอิเล็กตริกหรือฉนวน

ไดอิเล็กทริกหรือไม่เป็นตัวนำเป็นตัวแทนของสารประเภทใหญ่ที่ใช้ในงานวิศวกรรมไฟฟ้าที่มีความสำคัญต่อการใช้งานจริง พวกมันทำหน้าที่เป็นฉนวนวงจรไฟฟ้ารวมถึงให้คุณสมบัติพิเศษแก่อุปกรณ์ไฟฟ้าซึ่งช่วยให้สามารถใช้ปริมาตรและน้ำหนักของวัสดุที่ทำขึ้นได้อย่างสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ไดอิเล็กตริกสามารถเป็นสสารในสถานะรวมทั้งหมด: ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ในทางปฏิบัติ อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นก๊าซไดอิเล็กตริกทั้งในสภาวะปกติและสภาวะอัด

ก๊าซเหล่านี้มีความต้านทานเกือบไม่สิ้นสุด คุณสมบัติทางไฟฟ้าของก๊าซเป็นแบบไอโซทรอปิก จากสารที่เป็นของเหลว น้ำบริสุทธิ์ทางเคมี สารอินทรีย์หลายชนิด น้ำมันธรรมชาติและน้ำมันเทียม (น้ำมันหม้อแปลงนกฮูก ฯลฯ )

ไดอิเล็กตริกเหลวยังมีคุณสมบัติไอโซโทรปิกอีกด้วยคุณสมบัติการเป็นฉนวนสูงของสารเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์

ตัวอย่างเช่น คุณสมบัติการเป็นฉนวนของน้ำมันหม้อแปลงไฟฟ้าจะลดลงเมื่อมีการดูดซับความชื้นจากอากาศ ในทางปฏิบัติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง ซึ่งรวมถึงสารอนินทรีย์ (พอร์ซเลน ควอตซ์ หินอ่อน ไมกา แก้ว ฯลฯ) และสารอินทรีย์ (กระดาษ อำพัน ยาง สารอินทรีย์สังเคราะห์ต่างๆ)

สารเหล่านี้ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลสูงและถูกนำมาใช้ เพื่อเป็นฉนวนของเครื่องใช้ไฟฟ้ามีไว้สำหรับใช้ภายในและภายนอก

สารจำนวนหนึ่งยังคงรักษาคุณสมบัติการเป็นฉนวนสูงไว้ได้ ไม่เพียงแต่ในสภาวะปกติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงที่อุณหภูมิสูงด้วย (ซิลิกอน ควอตซ์ ซิลิกอน สารประกอบซิลิกอน) ไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งและของเหลวมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนหนึ่ง ซึ่งเป็นสาเหตุที่ความต้านทานของไดอิเล็กตริกที่ดีมีค่าประมาณ 1,015 - 1,016 โอห์ม x ม.

ภายใต้เงื่อนไขบางประการ การแยกโมเลกุลออกเป็นไอออนเกิดขึ้นในไดอิเล็กตริก (เช่น ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงหรือในสนามที่มีความเข้มสูง) ในกรณีนี้ ไดอิเล็กตริกจะสูญเสียคุณสมบัติการเป็นฉนวนและกลายเป็น ไดรเวอร์.

ไดอิเล็กตริกมีคุณสมบัติเป็นโพลาไรซ์และสามารถดำรงอยู่ได้ในระยะยาว สนามไฟฟ้าสถิต.

คุณสมบัติที่โดดเด่นของไดอิเล็กตริกทั้งหมดไม่เพียง แต่มีความต้านทานสูงต่อการผ่านของกระแสไฟฟ้าเท่านั้นซึ่งพิจารณาจากการมีอยู่ของจำนวนน้อย อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านปริมาตรทั้งหมดของอิเล็กทริกอย่างอิสระ แต่ยังมีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าซึ่งเรียกว่าโพลาไรเซชัน โพลาไรเซชันมีผลอย่างมากต่อสนามไฟฟ้าในไดอิเล็กตริก

หนึ่งในตัวอย่างหลักของการใช้ไดอิเล็กทริกในการปฏิบัติทางไฟฟ้าคือการแยกองค์ประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าออกจากพื้นดินและจากกันและกัน เนื่องจากการทำลายฉนวนขัดขวางการทำงานปกติของการติดตั้งระบบไฟฟ้าและนำไปสู่อุบัติเหตุ
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ในการออกแบบเครื่องจักรไฟฟ้าและการติดตั้ง ฉนวนของแต่ละองค์ประกอบถูกเลือกเพื่อให้ในแง่หนึ่ง ความแรงของสนามในไดอิเล็กตริกไม่เกินความเป็นฉนวนที่ใดก็ได้ และในทางกลับกัน ฉนวนนี้ ในการเชื่อมต่อแต่ละอุปกรณ์ให้ใช้อย่างเต็มที่ที่สุด (ไม่มีสต็อกมากเกินไป)
ก่อนอื่นคุณต้องรู้วิธีกระจายสนามไฟฟ้าในอุปกรณ์ จากนั้น การเลือกวัสดุและความหนาที่เหมาะสมจะช่วยแก้ปัญหาข้างต้นได้อย่างน่าพอใจ

ไดอิเล็กตริกโพลาไรเซชัน

ถ้าสนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในสุญญากาศ ขนาดและทิศทางของเวกเตอร์ความแรงของสนาม ณ จุดที่กำหนดจะขึ้นอยู่กับขนาดและตำแหน่งของประจุที่สร้างสนามเท่านั้น หากสนามถูกสร้างขึ้นในอิเล็กทริกใด ๆ กระบวนการทางกายภาพจะเกิดขึ้นในโมเลกุลของหลังที่ส่งผลต่อสนามไฟฟ้า

ภายใต้การกระทำของแรงสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนในวงโคจรจะถูกแทนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับสนาม เป็นผลให้โมเลกุลที่เป็นกลางก่อนหน้านี้กลายเป็นไดโพลที่มีประจุเท่ากันบนนิวเคลียสและอิเล็กตรอนในวงโคจร ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ไดอิเล็กทริก โพลาไรเซชัน... เมื่อสนามหายไป การกระจัดก็จะหายไปด้วย โมเลกุลจะกลายเป็นกลางทางไฟฟ้าอีกครั้ง

โมเลกุลโพลาไรซ์ - ไดโพลสร้างสนามไฟฟ้าของตัวเองซึ่งทิศทางตรงข้ามกับทิศทางของสนามหลัก (ภายนอก) ดังนั้นสนามเพิ่มเติมที่รวมกับสนามหลักจะทำให้อ่อนลง

ยิ่งไดอิเล็กตริกมีโพลาไรซ์มากเท่าใด สนามผลลัพธ์ก็ยิ่งอ่อนลง ความเข้มของประจุ ณ จุดใดๆ ของประจุเดียวกันที่สร้างสนามหลักก็จะยิ่งลดลง ดังนั้นค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของไดอิเล็กตริกดังกล่าวก็จะยิ่งมากขึ้น

ถ้าไดอิเล็กตริกอยู่ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับ การกระจัดของอิเล็กตรอนจะกลายเป็นแบบสลับด้วย กระบวนการนี้นำไปสู่การเพิ่มการเคลื่อนที่ของอนุภาคและทำให้ไดอิเล็กตริกร้อนขึ้น

ยิ่งสนามไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงบ่อยเท่าใด ไดอิเล็กทริกก็จะยิ่งร้อนมากขึ้นเท่านั้น ในทางปฏิบัติ ปรากฏการณ์นี้ใช้ในการให้ความร้อนกับวัสดุเปียกเพื่อทำให้แห้ง หรือเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง

อ่านเพิ่มเติม: การสูญเสียอิเล็กทริกคืออะไรเนื่องจากเกิดอะไรขึ้น

ไดอิเล็กทริกแบบมีขั้วและไม่มีขั้ว

แม้ว่าไดอิเล็กตริกจะไม่นำไฟฟ้า แต่อย่างไรก็ตามภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า พวกมันจะเปลี่ยนคุณสมบัติของมัน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของโมเลกุลและธรรมชาติของผลกระทบต่อสนามไฟฟ้า ไดอิเล็กตริกแบ่งออกเป็นสองประเภท: ไม่มีขั้วและขั้ว

ในไดอิเล็กตริกแบบไม่มีขั้ว ถ้าไม่ได้อยู่ในสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะหมุนเป็นวงโคจรโดยมีศูนย์กลางประจวบกับศูนย์กลางของนิวเคลียส ดังนั้น การกระทำของอิเล็กตรอนเหล่านี้จึงถูกมองว่าเป็นการกระทำของประจุลบที่อยู่ใจกลางนิวเคลียสเนื่องจากศูนย์กลางของการกระทำของอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งก็คือโปรตอนนั้นกระจุกตัวอยู่ที่ศูนย์กลางของนิวเคลียส ในอวกาศภายนอก อะตอมจึงถูกมองว่าเป็นกลางทางไฟฟ้า

เมื่อสารเหล่านี้ถูกนำเข้าสู่สนามไฟฟ้าสถิต อิเล็กตรอนจะถูกแทนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงสนาม และจุดศูนย์กลางของการกระทำของอิเล็กตรอนและโปรตอนจะไม่ตรงกัน ในพื้นที่รอบนอก อะตอมในกรณีนี้ถูกมองว่าเป็นไดโพล นั่นคือ เป็นระบบที่มีจุดประจุที่แตกต่างกันสองจุดเท่ากัน -q และ + q ซึ่งอยู่ห่างจากกันและกันในระยะทางเล็กน้อย a เท่ากับการกระจัดของ ศูนย์กลางของวงโคจรของอิเล็กตรอนเทียบกับศูนย์กลางของนิวเคลียส

ในระบบดังกล่าว ประจุบวกจะถูกแทนที่ในทิศทางของความแรงของสนาม ซึ่งเป็นประจุลบในทิศทางตรงกันข้าม ยิ่งความแรงของสนามภายนอกมากเท่าใด การกระจัดที่สัมพันธ์กันของประจุในแต่ละโมเลกุลก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

เมื่อสนามหายไป อิเล็กตรอนจะกลับสู่สถานะเดิมของการเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม และไดอิเล็กตริกจะกลายเป็นกลางอีกครั้ง การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอิเล็กทริกข้างต้นภายใต้อิทธิพลของสนามเรียกว่าโพลาไรเซชันอิเล็กทรอนิกส์

ในโพลาร์ไดอิเล็กตริก โมเลกุลจะเป็นไดโพล อยู่ในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวาย โมเมนต์ไดโพลเปลี่ยนตำแหน่งตลอดเวลา สิ่งนี้นำไปสู่การชดเชยฟิลด์ของไดโพลของโมเลกุลแต่ละตัว และความจริงที่ว่านอกอิเล็กทริกเมื่อไม่มีสนามภายนอก จะไม่มีมาโครสโคปิก สนาม.

เมื่อสารเหล่านี้สัมผัสกับสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก ไดโพลจะหมุนและวางแกนตามสนาม การจัดเรียงตามลำดับอย่างสมบูรณ์นี้จะถูกขัดขวางโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

ที่ความแรงของสนามต่ำ การหมุนของไดโพลจะเกิดขึ้นที่มุมหนึ่งของทิศทางของสนามเท่านั้น ซึ่งกำหนดโดยความสมดุลระหว่างการกระทำของสนามไฟฟ้าและผลของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

เมื่อความแรงของสนามเพิ่มขึ้น การหมุนของโมเลกุลและระดับของโพลาไรเซชันก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ในกรณีเช่นนี้ ระยะห่าง a ระหว่างไดโพลไดโพลจะถูกกำหนดโดยค่าเฉลี่ยของเส้นโครงของแกนไดโพลไปยังทิศทางของความแรงของสนาม นอกจากโพลาไรเซชันประเภทนี้ซึ่งเรียกว่าการปฐมนิเทศแล้ว ยังมีโพลาไรเซชันอิเล็กทรอนิกส์ในไดอิเล็กตริกเหล่านี้ซึ่งเกิดจากการกระจัดของประจุ

รูปแบบโพลาไรเซชันที่อธิบายข้างต้นเป็นพื้นฐานสำหรับสารฉนวนทั้งหมด: ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง ในไดอิเล็กตริกของเหลวและของแข็งที่ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าในก๊าซ ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันนั้นซับซ้อน เพราะนอกเหนือจากการเปลี่ยนศูนย์กลางของวงโคจรของอิเล็กตรอนที่สัมพันธ์กับนิวเคลียสหรือการหมุนของขั้วไดโพล นอกจากนี้ยังมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล

เนื่องจากในมวลของไดอิเล็กตริก อะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวจะมีขั้วเท่านั้น และไม่แตกตัวเป็นไอออนที่มีประจุบวกและประจุลบ ในแต่ละองค์ประกอบของปริมาตรของไดอิเล็กตริกที่มีโพลาไรซ์ ประจุของสัญญาณทั้งสองจึงเท่ากัน ดังนั้นไดอิเล็กตริกตลอดปริมาตรยังคงเป็นกลางทางไฟฟ้า

ข้อยกเว้นคือประจุของขั้วของโมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวขอบเขตของอิเล็กทริก ประจุดังกล่าวก่อตัวเป็นชั้นที่มีประจุบางๆ ที่พื้นผิวเหล่านี้ ในสื่อที่เป็นเนื้อเดียวกัน ปรากฏการณ์ของโพลาไรเซชันสามารถแสดงเป็นการจัดเรียงฮาร์มอนิกของไดโพล

กำลังสลายตัวของไดอิเล็กตริก

ภายใต้สภาวะปกติ อิเล็กทริกจะมี การนำไฟฟ้าเล็กน้อย… คุณสมบัตินี้ยังคงอยู่จนกว่าความแรงของสนามไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นถึงค่าจำกัดสำหรับไดอิเล็กตริกแต่ละตัว

ในสนามไฟฟ้าแรง โมเลกุลของไดอิเล็กตริกจะแตกตัวเป็นไอออน และร่างกายซึ่งเป็นไดอิเล็กตริกในสนามที่อ่อนจะกลายเป็นตัวนำ

ความแรงของสนามไฟฟ้าที่การแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลไดอิเล็กตริกเริ่มต้นขึ้นเรียกว่า แรงดันพังทลาย (ความแรงไฟฟ้า) ของไดอิเล็กตริก

เรียกว่าขนาดของความแรงของสนามไฟฟ้าที่อนุญาตในไดอิเล็กตริกเมื่อใช้ในการติดตั้งระบบไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าที่อนุญาต... แรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตมักจะน้อยกว่าแรงดันแตกหักหลายเท่า มีการกำหนดอัตราส่วนของแรงดันพังทลายต่อค่าเผื่อความปลอดภัยที่อนุญาต... สารที่ไม่ใช่ตัวนำ (ไดอิเล็กทริก) ที่ดีที่สุดคือสุญญากาศและก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความดันสูง

ความล้มเหลวของอิเล็กทริก

การสลายเกิดขึ้นแตกต่างกันในสารที่เป็นก๊าซ ของเหลว และของแข็ง และขึ้นอยู่กับเงื่อนไขหลายประการ: ตามความเป็นเนื้อเดียวกันของไดอิเล็กตริก ความดัน อุณหภูมิ ความชื้น ความหนาของไดอิเล็กตริก ฯลฯ ดังนั้น เมื่อพิจารณาค่าของความเป็นไดอิเล็กตริก สิ่งเหล่านี้ มักจะมีเงื่อนไขให้

สำหรับงานวัสดุ เช่น ในห้องปิดและไม่สัมผัสกับบรรยากาศ สภาวะปกติจะถูกสร้างขึ้น (เช่น อุณหภูมิ + 20 ° C ความดัน 760 มม.) ความชื้นยังทำให้เป็นปกติ บางครั้งความถี่ ฯลฯ

แก๊สมีความแรงทางไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ ดังนั้นการสลายตัวของอากาศภายใต้สภาวะปกติคือ 30 kV / cmข้อได้เปรียบของก๊าซคือหลังจากการทำลายคุณสมบัติการเป็นฉนวนของพวกมันจะถูกฟื้นฟูอย่างรวดเร็ว

ไดอิเล็กตริกเหลวมีความแข็งแรงทางไฟฟ้าสูงกว่าเล็กน้อย คุณสมบัติที่โดดเด่นของของเหลวคือการกำจัดความร้อนออกจากอุปกรณ์ที่ให้ความร้อนได้ดีเมื่อกระแสไหลผ่านสายไฟ การปรากฏตัวของสิ่งเจือปนโดยเฉพาะในน้ำช่วยลดความเป็นฉนวนของไดอิเล็กตริกเหลวได้อย่างมาก ในของเหลวเช่นเดียวกับในก๊าซ คุณสมบัติการเป็นฉนวนของพวกมันจะได้รับการฟื้นฟูหลังจากการถูกทำลาย

ไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งเป็นตัวแทนของวัสดุฉนวนหลายประเภท ทั้งจากธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น ไดอิเล็กตริกเหล่านี้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลที่หลากหลาย

การใช้วัสดุนี้หรือวัสดุนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดฉนวนของการติดตั้งที่กำหนดและเงื่อนไขการใช้งาน ไมกา, แก้ว, พาราฟิน, อะโบไนต์, รวมทั้งสารอินทรีย์ที่เป็นเส้นใยและสังเคราะห์ต่างๆ, เบกาไลต์, เกติแน็กซ์ ฯลฯ มีความแข็งแรงทางไฟฟ้าสูง

หากนอกเหนือจากข้อกำหนดสำหรับการไล่ระดับสีแบบแยกส่วนสูงแล้ว ยังมีข้อกำหนดสำหรับความแข็งแรงเชิงกลสูงบนวัสดุ (เช่น ในฉนวนรองรับและกันสะเทือน เพื่อป้องกันอุปกรณ์จากความเครียดเชิงกล) เครื่องลายครามไฟฟ้าจะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย

ตารางแสดงค่าความแข็งแรงของการพังทลาย (ภายใต้สภาวะปกติและค่าคงที่คงที่เป็นศูนย์) ของไดอิเล็กตริกที่พบมากที่สุดบางตัว

ค่าความแข็งแรงของการสลายตัวของไดอิเล็กตริก

วัสดุ แรงดันพังทลาย, kv / mm กระดาษชุบพาราฟิน 10.0-25.0 อากาศ 3.0 น้ำมันแร่ 6.0 -15.0 หินอ่อน 3.0 — 4.0 มิคาไนต์ 15.0 — 20.0 กระดาษแข็งไฟฟ้า 9 .0 — 14.0 ไมกา 80.0 — 200.0 แก้ว 10.0 — 40.0 พอร์ซเลน 6.0 — 7.5 หินชนวน 1.5 — 3.0