Изолирующие материалы. их характеристика

Параметры изоляции

К числу основных относятся:

• электропрочность;
• удельное электрическое сопротивление;
• относительная проницаемость;
• угол диэлектрических потерь.

Оценивая качество и эффективность диэлектриков, и сравнивая их свойства, нужно выявить зависимость перечисленных параметров от значений тока и напряжения. По сравнению с проводниками электроизоляционные компоненты имеют повышенную электрическую прочность. Учитывая сказанное выше, не менее важным является то, насколько хорошо изоляторы сохраняют свои полезные свойства и удельные величины при нагревании, увеличении напряжения и других воздействиях.

Элегаз

Диэлектрики могут быть газообразными. Сухой воздух — хороший диэлектрик, но в некоторых задачах его электроизоляционные свойства недостаточны. Пример газообразного диэлектрика — гексафторид серы или «элегаз», он тяжелее воздуха и имеет пробивное напряжение в несколько раз выше, чем у воздуха, что позволяет сделать электрическую машину компактнее. Кроме того, элегаз обладает дугогасящими свойствами, и при контакте с дугой практически не деградирует, рекомбинируя обратно.

Довольно забавный опыт, когда вдохнув гелия голос человека становится выше с элегазом выглядит иначе — голос становится ниже. Другое видео: Пара гелий — гексафторид серы Так как элегаз тяжелее воздуха, в нем может плавать легкая лодка.

Твердые диэлектрики

Традиционно под изоляторами данного типа понимаются такие материалы, как стекло, кварц, фарфор, пластики и резина. Их происхождение может быть натуральным и синтетическим. В тонких слоях изоляторов могут быть повышенные показатели удельного сопротивления и напряжения пробоя – эти значения зависят от диэлектрической проницаемости и электрической прочности структуры. Увеличение разности потенциалов по отношению к твердому или жидкому диэлектрику будет повышать ток, проходящий целевой объект. В итоге это явление способствует формированию вблизи катода положительного пространственного заряда на фоне отрыва электронов. Электрический пробой можно будет рассматривать как результат искажения заряженного поля в структуре самого изолятора. Твердотельные электроизоляционные материалы подвергаются поляризации, поэтому их диэлектрическая постоянная превышает единицу. Также в момент приложения переменных электрических полей поляризация способствует образованию диэлектрических потерь. В этом контексте стоит выделить материалы, которые даже в высокочастотных полях имеют минимальные диэлектрические потери. К таким можно отнести полиэтилен и кварц.

Свойства диэлектриков

Выбор диэлектриков должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

1. Электрическими: пробивное напряжение (при котором наступает пробой), электрическая прочность (напряженность поля, при которой наступает пробой);
2. Физико-химическими: стойкость к нагреванию (способность длительно выдерживать рабочую температуру), холодостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отторгать влагу);
3. Химическими: устойчивость к агрессивной среде, растворимость в лаках, возможность склеивания;
4. Механическими: радиационная устойчивость, вязкость (для жидких диэлектриков), защищенность от коррозии, предел прочности, возможность инструментальной обработки.

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника ε_п, станет равной напряженности внешнего поля ε_вн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь* (рис. 13).

* ()

Рис. 13. Электрические заряды молекул диэлектрика: а — без внешнего поля, б — при наличии поля

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью ε_пр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика ε_доп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков:

Фарфор электротехнический

Является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

Жидкие диэлектрики

Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.

В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.

Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.

Электроизоляционные материалы и сферы их применения

К основным областям применения электроизоляционных материалов можно отнести различные промышленные ветви, радиотехнику, приборостроение и монтаж электрических сетей. Диэлектрики – это основные элементы, от которых зависит безопасность и стабильность работы любого электроприбора. На качество и функциональность изоляции влияют различные параметры.

Таким образом, главная причина применения электроизоляции – соблюдение правил безопасности. В соответствии с ними строго запрещено эксплуатировать оборудование с частично или полностью отсутствующей изоляцией, поврежденной оболочкой, поскольку даже малые токи могут нанести вред человеческому организму.

Свойства проводников

Удельное сопротивление

Основными характеристиками проводников электричества являются:

1. сопротивление,
2. электропроводность.

При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления.

Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества.

Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах, См.

В зависимости от носителей заряда, электропроводность может быть:

• электронной,
• ионной,
• дырочной.

Проводник с электронной проводимостью

Обратите внимание! Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, соответственно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость – свойство наилучшего проводника

Выбор проводящих материалов должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

• Электрическими (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
• Физическими (градус плавления, плотность);
• Механическими (устойчивость к растяжению, изгибанию, возможность обработки на станках);
• Химическими (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).

Малым удельным сопротивлением обладают металлы без примесей. У сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление возрастает и с повышением температуры.

Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство носит название сверхпроводимости

При выборе проводников для электроустановок, линий питания, защитного заземления и других сфер применения важно учитывать все качества материалов

Разновидности звукоизолирующих материалов

Шумоизоляционные материалы делятся на органические и неорганические. К первому типу можно отнести древесноволокнистые плиты, которые в жилом строительстве не используются. Основные их характеристики – доступность и экологичность. Однако легкая воспламеняемость не позволяет применять плиты в квартирах и домах. Как шумоизоляция материал используется не так часто. Более популярен при внешней отделке временного жилья, перекрытия сараев и гаражей.

Что представляют собой древесноволокнистые плиты

Второй тип шумоизоляционного материала, неорганический, наиболее популярен.

Не уступая органическим в экологичности, он сочетает в себе ряд других свойств:

• влагостойкость;
• огнестойкость;
• устойчивость к грибкам.

Может быть интересно

Теплоизоляция

Отличительные особенности и разнообразие потолочной плитки…

Теплоизоляция

Особенности и использование минеральной ваты

Шумоизоляция

Как самостоятельно сделать шумоизоляцию крыши балкона?

Шумоизоляция

Шумоизоляция труб канализации в квартире

Отдельно можно выделить еще один вид шумопоглощающего материала – композитный. Он состоит из нескольких слоев и производится синтетическим способом. Плюс использования этого вида изоляции – легкость монтажа и небольшая толщина.

Звукоизоляционная лента используется при монтаже каркаса гипсокартоновых конструкций. Cамоклеющаяся лента накладывается на профиль, и только после этого происходит установка. Эта прокладка обязательна, если нужна качественная звукоизоляция стен. При обработке швов или трещин часто используется монтажная пена. Если важен звукоизолирующий эффект, лучше воспользоваться звукоизоляционным герметиком.

Электроизоляционные лакированные ткани

Лакированные изолирующие ткани

Этот вид диэлектрика характеризуется тем, что изготавливается на основе ткани, пропитанной лаком. Нанесение изолятора на ткань происходит при помощи кисточки. Такой лак образует пленку, обладающую требуемыми диэлектрическими свойствами.

Ткань, применяемая в такой изоляции, преимущественно хлопчатобумажная. Также встречаются материалы на шелковой, капроновой и стеклянной основе. Стекловолокнистая ткань характеризуется повышенной устойчивостью к высоким температурам. Основной сферой применения таких тканей будут являться электрические машины и аппараты, где важна гибкость изоляционного материала.

В этой статье были кратко рассмотрены типы изоляции, свойства и условия применения данного материала. Статья будет полезна как опытным электротехникам, так и впервые пробующим свои силы домашним мастерам. Она поможет подобрать требуемую изоляцию проводников и кабелей, согласно конкретным условиям рабочего процесса.

Жидкие диэлектрики

Жидкая изоляция

Каким огнетушителем нельзя тушить электропроводку под напряжением

К такому виду диэлектриков относят различные виды масел, лаков, паст и смол. Большое распространение получили продукты переработки нефти – минеральные масла. Такие изоляторы используются в трансформаторных подстанциях небольшой мощности, масляных выключателях, кабелях и конденсаторах. Жидкая изоляция для проводов применяется при подготовке к работе кабелей и конденсаторов.

Заметка. В качестве альтернативы жидкой изоляции можно применить спрей для проводов. Дистиллированная вода также является диэлектриком.

Технические характеристики жидких диэлектриков напрямую зависят от их чистоты. Чем больше загрязнены масло, вода и другие подобные диэлектрические жидкости, тем более худшими характеристиками они обладают. Очистка таких жидкостей производится при помощи дистилляции или ионообменной сорбции.

Как не путать проводники и диэлектрики

До этого мы с вами очень подробно рассмотрели диэлектрики, узнали, как они работают, как устроены внутри. Теперь же давайте узнаем, как они используются в реальной жизни и как не спутать их с проводниками.

Где применяются диэлектрики

Диэлектрики применяются во многих сферах жизни, а именно в тех, где нужен электрический ток.

Особенно активно их используют в сельском хозяйстве, промышленности и приборостроении.

Твердые диэлектрики

Диэлектрики бывают разные. Например, твердые диэлектрики могут обеспечивать безопасность приборов, работающий на электричестве. Они являются хорошими изоляторами тока, а значит очень сильно влияют на долговечность этих приборов. Одним из примеров можно назвать диэлектрические перчатки.

Жидкие диэлектрики

А вот диэлектрики жидкие нужны немного для другого. Они то используются в конденсаторах, кабелях, системах охлаждения с циркуляцией воздуха и во многих других приборах.

Газообразные диэлектрики

Также существуют и газообразные диэлектрики, хоть они и не так популярны в наши дни. Эти диэлектрики создала сама природа. Например, водород используется для мощных генераторов, у которых просто запредельная теплоемкость, а вот азот помогает по максимуму сократить окислительные процессы. Самым же простым примером газообразного диэлектрика мы считаем воздух. Да-да, это тоже диэлектрик, причем еще и тепло может отводить.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

> См. также

• Трекингостойкость
• Материаловедение
• Кондуктометрия

Слюда

Слюда.щипаная слюдамиканитмикалента, микафолий, стекломиканитслюдяная бумага (слюдинит, слюдопласт)микалекс

Примеры применения

Нагреватели бытовых тепловентиляторов. Конструкция слева менее материалоемкая, но значительно менее надежная, особенно в условиях механических нагрузок.Окошко вывода микроволнового излучения из слюды.Восьмигранная пластинка изготовлена из слюды.Слюдяные конденсаторы производства СССР полувековой давности.Пластинки слюды в конденсаторе. Металлизация на пластинках формирует обкладки.Пластинки природной щипаной слюды.

Интересные факты о слюде

Природная слюда прозрачна. Слюдоматериалы полученные переработкой природной слюды как правило непрозрачны.Окно со вставками из слюды из экспозиции красноярского краеведческого музеяЭлектрические соединения с нагревательным элементом выполнены полыми заклепками.

Фарфор

Фарфор

Примеры применения

Высокотемпературные изоляторы.Корпус ртутной дуговой лампы от светолучевого осциллографа. Рама из алюминиевого сплава, чёрный корпус — карболит, фарфоровые бусы изолируют проводники, которыми подключается лампа. Лампа очень сильно нагревается во время работы. Кучка фарфоровых бус от различных нагревателей.Свечи зажигания от двигателя внутреннего сгорания. Центральный электрод изолирован фарфором. Ни один другой диэлектрик не способен выдержать длительное воздействие температуры, давления, горючего внутри камеры сгорания.Детали электроизделий.Держатели ламелей розетки, патрона изготовлены из фарфора. Чёрный корпус патронов — карболит.Мощные резисторы имеют основу из фарфоровой трубки. У зеленого резистора обмотка скрыта под эмалью.Изоляторы на столбах.Фарфоровые изоляторы линий электропередач. Между фарфоровым изолятором и стальным крюком втулка из полиэтилена, для защиты фарфора от трещин. Дисковая форма изоляторов позволяет воде стекать не образуя сплошного слоя, замыкающего проводник на опору.

Теоретические сведения

Среди различных газов наибольшее техническое применение
как диэлектрик имеет воздух, т. к. он является естественной изоляцией в
большинстве электрических конструкций: трансформаторов, конденсаторов,
воздушных выключателях, линий электропередачи.

Как
диэлектрик воздух имеет положительные свойства: быстро восстанавливает свою
электрическую прочность после пробоя, незначительно изменяет диэлектрическую
проницаемость, его диэлектрические потери очень малы (tgδ=10).
Отрицательные свойства воздуха как диэлектрика: Низкая теплопроводность
0.00025-0.00036 вт/см*С, невысокая электрическая прочность, по сравнению с
твёрдыми и жидкими диэлектриками, способность увлажняться, образовывать оксиды,
поддерживать горение. Электрическая прочность воздуха не является постоянной и
зависит от ряда факторов: Давления, влажности, формы поля между электродами,
температуры, химического состава газа.

Наиболее
важными являются:

1) 
форма электродов и схема включения
их в цепь, определяющая характер поля в промежутке между электродами;

2) 
плотность и влажность воздуха;

3) 
род приложенного напряжения
(постоянное, переменное промышленной частоты, высокой частоты и импульсное).

Механизм пробоя  газа в равномерном поле.

Газы
при небольших значениях напряжённости электрического поля обладают исключительно
малой проводимостью, т. к. количество носителей электрических зарядов в
атмосферном воздухе и поэтому при приложении малой разности потенциалов к
воздушному промежутку в нём потечёт ток, практически незаметный и не влияющий
на изолирующую способность воздуха.

Небольшое
количество содержащихся в газе положительных и отрицательных ионов и
электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном
тепловом движении, при воздействии поля получает некоторую добавочную скорость
и начинает в зависимости от знака заряда перемещаться в направлении поля или
против. При этом заряженная частица получает энергию.

W=q*Uλ

Где
q — заряд, Uλ — разность потенциалов на длинне свободного пробега.

Если
поле достаточно, то можно считать, что

Uλ=E*l,

Где
Е — напряжённость поля, l-среднее расстояние, пройденное заряженной частицей
без столкновения, то есть, длинна свободного пробега – λ.

Отсюда

Пробой диэлектрика

При всех указанных явлениях в диэлектрике после приложения напряжения через больший или меньший промежуток времени создается стационарное или квазистационарное (при переменном напряжении) состояние, характеризуемое устойчивыми во времени значениями поляризации, электропроводности или соответственно диэлектрических потерь. Однако, если увеличивать напряженность поля, то имеется некорый предел, выше которого стационарное состояние нарушается. Текущий через него ток начинает ускоренно возрастать во времени, электропроводность резко увеличивается, вещество перестает быть диэлектриком и становится проводником, происходит пробой.

Характеризующее пробой прогрессирующее во времени возрастание электропроводности может находиться в зависимости от рода вещества и его агрегатного состояния, а также таких факторов, как температуpa, вид напряжения, длительность воздействия напряжения и т. д., и обусловлено различными явлениями. Эти явления могут быть сведены в две основные группы:

1. явления тепловые: возрастание электропроводности обусловлено прогрессирующим разогревом диэлектрика, выделяющимися в нем потерями; пробой наступает тогда, когда стационарное тепловое состояние его становится невозможным;
2. явления чисто электрические: возрастание электропроводности обусловлено увеличением числа свободных зарядов в результате либо ударной ионизации, т. е. срыва связанных зарядов движущимися зарядами, либо срыва связанных зарядов непосредственно самим полем.

Диэлектрики находят широкое применение в технике как электроизолирующие материалы.

Похожие записи:

Как заменить любую лампочку: основные принципы Топ 20 лучших производителей электроинструмента в мире на 2021 год Драйверы для светодиодов: виды, характеристики и критерии выбора устройств Как проложить электрику в доме своими руками: схемы подключения и разводки розеток и выключателя: обзор +видео Контакторы и пускатели Простые регуляторы температуры паяльника