Диэлектрические материалы.

1. 1. Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

— вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.

Носители заряда в диэлектриках:

1. В газах

1. Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.

2. Электроны в сильных полях.

2. В жидкостях

1. Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

2. Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

3. В твердых

1. Ионы.

2. Дефекты кристаллической решетки.

3. Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Рисунок 50.

Основные электрические свойства диэлектриков:

1. Поляризация

2. Электропроводность

3. Диэлектрические потери

4. Электрическая прочность

При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

2. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

где dp — электрический момент элемента диэлектрика;

dV – объем элемента диэлектрика

— напряженность внешнего электрического поля, В/м,

— диэлектрическая постоянная,

— относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика

и.

Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10^-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.

Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10^-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.

Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10^-10..10^-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)

где — поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м²

,

— время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.

Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na⁺ и Cl^— в молекуле поваренной соли.

С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации

от температуры

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости

и уменьшается с ростом частоты.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.

Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.

В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемостии тангенса угла диэлектрических потерьусложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:

1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков — изоляторов.

2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.

3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.

4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

где — внешнее электрическое поле, В/м,

— внутреннее электрическое поле, В/м,

— электрическое смещение, Кл/м²,

— поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м²,

— добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м²

— поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м²

Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:

,

где ₁ и ₂ – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

— процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля

— состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент

Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.

Рисунок 51.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

Диэлектрики:

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Рисунок 52.

Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).

Виды поляризации:

1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.

1. Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.

2. Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.

3. Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.

2. Релаксационная

На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.

Разновидности:

1. Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.

Рисунок 54.

Время установления: 10^-2…10^-10 с.

Тау – время релаксации.

2. Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.

Рисунок 55.

В жидком – проводники с электролитической проводимостью.

3. Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.

Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.

4. Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.

Рисунок 56.

Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.

5. Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.

В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.

Диэлектрическая проницаемость смеси.

Рисунок 57.

studfile.net

7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.

Диэлектрикамиили изоляторами называют вещества, в которых почти все электроны удерживаются на своих орбитах ядром атома. Таким образом, у диэлектрика нет свободных электронов и они не пропускают электрический ток.

Диэлектрики, по агрегатному состоянию, подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые диэлектрики.Твердыми неорганическим диэлектриками являются различные керамики, стекло, слюда, кварц, асбест.

Волокнистые электроизоляционные материалыизготавливают из волокон различных веществ – органических (растительных и синтетических ) и неорганических (стекло, асбест). Для электроизоляции монтажных и обмоточных проводов, кабелей, электрических машин и аппаратов применяют пряжу, ткани, бумагу, картон с последующей пропиткой специальными пропиточными составами.

Волокнистые материалы являются основой при производстве различных видов электроизоляционных материалов (лакотканей, слоистых пластиков, гибких трубок и т.д.).

Пропиточные, заливочные, покровныематериалы содержат в основе естественные и синтетические высокомолекулярные вещества, в числе которых смолы, битумы воски. Особенность этих материалов состоит в том, что после нанесения их на изолирующую поверхность образуется тонкая гибкая твердая пленка с хорошими электроизоляционными свойствами.

Слоистые материалыизготавливают прессованием с различными связующими бумаги (гетинакс, асбогетинакс), тканей (текстолиты), древесного шпона. Слоистые материалы выпускают в виде листов, цилиндров, трубок, обладающих значительной механической прочностью. Их применяют в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов для изготовления оснований печатных плат, каркасов, различных прокладок и других деталей.

Пластмассыизготавливают в основном из синтетических полимеров с всевозможными наполнителями и без наполнителей. Из пластмасс методами прессования или литья изготавливают различные фасонные детали и узлы, требующие сочетания хороших электрических , механических и других эксплутационных свойств. Часто пластмассы используются для изготовления низковольтной аппаратуры (штепсельные разъемы, патроны для электроламп, вики, розетки и т.д.).

Электроизоляционные пленкиизготавливают из некоторых синтетических полимеров и эфиров целлюлозы. Применяют в качестве основного диэлектрика при изготовлении конденсаторов, изоляции обмоток электрических машин, проводов и кабелей.

Резина– материал, получаемый из натурально или синтетического каучука методам вулканизации. Резины обладают высокой эластичностью и гибкостью. Применяются в качестве электризоляции проводов и кабелей, для изготовления гибких трубок, уплотняющих прокладок.

Слюда– материал, который применяется в качестве диэлектрика конденсаторов, межэлектродной изоляции. Слюдяные материалы имеют также высокую теплостойкость.

Керамические материалыиспользуют для изготовления электроизоляционных деталей ( электроизоляторы ЛЭП, каркасы катушек, ламповые панели и др.), которые изготавливают путем формовки и последующего отжига.

Стеклоприменяют для изготовления колб электрических лампочек освещения, электровакуумных приборов (кинескопы ).

Сегнетоэлектрики и электретысоставляют отдельную группу твердых диэлектриков. Для этого класса диэлектриков характерен доменный тип поляризации, отличающийся тем, что в диэлектрике до наложения внешнего электрического поля имеются не отдельные полярные молекулы, а целые самопроизвольно поляризованные области (домены). Под действием внешнего электрического поля домены ориентируются так, что в диэлектрике создается большой поляризованный заряд и большой электрический момент. Следовательно, такие материалы имеют очень большую диэлектрическую проницаемость. Причем диэлектрическая проницаемость имеет нелинейную зависимость от напряженности электрического поля, а после выключения (снятия) внешнего поля в сегнетоэлектрике поляризационный заряд не равен нулю, а наблюдается некоторая остаточная поляризация.

Диэлектрики, длительно сохраняющие значительную остаточную поляризацию, называются электретами.

Твердые органические диэлектрики – смолы, лаки, пластмассы, каучуки, волокна.

Жидкие диэлектрики. К жидким диэлектрикам относятся нефтяные масла, кремнийорганические и фторорганические жидкости. Так, в маслонаполненном трансформаторе масло, выполняет роль, как электроизоляции, так и является хорошей теплоотводящей средой. В масляном высоковольтном выключателе масло играет активную роль в гашении электрической дуги.

Масло хорошо пропитывает твердые волокнистые материалы (бумагу, ткани, пряжу и т.д.), заполняет пространство между конструктивными элементами, что значительно улучшает электрическую изоляцию тех или иных устройств.

Газообразные диэлектрики. Из газообразных диэлектриков чаще всего используется воздух, который ввиду повсеместного распространения является частью системы электрической изоляции подавляющего большинства электро- и радиотехнических устройств. Кроме воздуха в качестве электроизоляции применяют инертные газы ( неон, аргон, криптон), водород, Азот, Углекислый газ и др.

Практически для всех диэлектриков характерно очень большое удельное электрическое сопротивление – ρ=10⁸– 10²⁰Ом м.

Таблица 6

studfile.net

Диэлектрики — это… Что такое Диэлектрики?

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Концетрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см^-3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твердого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещенной зоны больше 3 эВ.

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.

К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики. При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов. 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 емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость. Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др. Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^-5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10^-8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10^-5—10⁸ Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбужденным. Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов. Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоящее время широко признана во многих областях техники и промышленности. Успехи материаловедения позволили перейти от использования уже известных к целенаправленному созданию новых материалов с заранее заданными свойствами.

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Электроизоляционные материалы: виды, марки, свойства, применение

В настоящее время электрохимическая промышленность выпускает огромное количество электроизоляционных материалов. Материалы на основе стекловолокна с добавлением синтетических смол прочно вошли в нашу жизнь. Эти материалы обладают такими свойствами, как влагостойкость и нагревостойкость, высокая электрическая и механическая и прочность. 
Наряду с природными электроизоляционными материалами (электрокартон, хлопчатобумажные ленты, асбест, слюда) распространены материалы на основе стекловолокна в сочетании с синтетическими смолами, обладающие, хорошими диэлектрическими свойствами. Например, стекловолокно, применяемое для многих видов изоляции (стеклолакоткань, стеклолента, стекломиканит, стеклотекстолит), имеет высокую влагостойкость, нагревостойкость, прочность на разрыв, химическую стойкость и высокую теплопроводность. Широкое распространение получили синтетические пленки, такие, как лавсан, мелинекс и др.
Синтетические изоляционные материалы позволяют повысить мощность электротехнического оборудования при сохранении их внешних физических размеров (двигателей, агрегатов, трансформаторов) и обеспечить наиболее продолжительный их срок службы.
Представляем наиболее распространенные и применяемые изоляционные материалы.

Непропитанные волокнистые и изоляционные материалы

 

Электрокартон

Выпускается в нескольких видах. Электрокартон для работы в воздушной среде (марки ЭВТ и ЭВ) толщина (0,1мм—3 мм). Электрокартон для работы в масле (марки ЭМТ и ЭМЦ), толщина (1мм—3 мм). Выпускается как в листах (листовой), так и в рулонах (рольный).
Если электрокартон выпущен в непропитанном виде, то является невлагостойким материалом, и хранят его надо в сухом помещении. Диэлектрическая прочность сухого электрокартона марки ЭВ, который имеет влажность около 8%, равна 8—11 кВ/мм, а марки ЭМТ уже 20—30 кВ/мм.

Изоляционные бумаги

Изготовляется из измельченной древесины хвойных пород и обрабатывается щелочью.
Имеется несколько видов изоляционной бумаги. Это телефонная бумага, кабельная бумага и конденсаторная бумага.
Телефонная бумага. Марка бумаги КТ-05 выпускается толщиной 0,04 — 0,05 мм. Кабельная бумага марки К-120. Ее толщина 0,12 ми она пропитана трансформаторным маслом, имеющим хорошие диэлектрические свойства. Такими же свойствами обладает конденсаторная бумага, только толщина ее гораздо меньше.

Фибра

Изготовляется из бумаги и обрабатывается раствором хлористого цинка. Имеет малую механическую прочность по этому хорошо обрабатывается. Диэлектрическая прочность фибры составляет 5 – 11 кВ/мм. Не стойкая к щелочам и кислотам. Выпускается в виде листов и имеет толщину 0,6— 12 мм. Так же выпускается в виде трубок и круглых стержней. Из фибры делают каркасы катушек, прокладки.

Летероид

Электроизоляционный материал, который представляет собой одну из разновидностей фибры, имеющей малую толщину. Летероид выпускается в виде рулонов и листов и имеет толщину 0,1—0,5 мм.

Хлопчатобумажные ленты

Промышленность выпускает хлопчатобумажные ленты следующих разновидностей: киперную, тафтяную, батистовую и миткалевую. Ленты производятся следующих видов и размеров:

• Киперная лента ЛЭ изготавливается по ГОСТ4514-78 из х/б нити и имеет ширину 10—60 мм, а толщину 0,45 мм, используется в электромонтажных работах, для стягивания кабелей и проводов, для обвязки катушек, обмоток двигателей и трансформаторов;
  
• Тафтяная лента ЛЭ изготавливается по ГОСТ4514-78 из х/б или шелковой нити и имеет ширину 10-50 мм с шагом 5мм, а толщину 0,25 мм, используется при проведении электромонтажных работ. Похожа на киперную ленту, отличается только плетением нити. По прочностным характеристикам уступает киперной ленте.
  
• Батистовая лента ЛЭ изготавливается по ГОСТ4514-78 из х/б нити полотняного плетения, имеет ширину 10—20 мм и толщину 0,12-0,16-0,18 мм. Самая тонкая из лент. Может быть заменена тафтяной.
  
• Миткалевая лента ЛЭ изготавливаются по ГОСТ4514-78, имеет ширину 12—35 мм и толщину 0,22 мм. По физическим свойствам менее прочная, чем киперная, но прочней тафтяной, хотя тоньше их.
  

Асбестовые материалы

Асбест — природный минерал, который имеет волокнистое строение. Качественным показателем асбеста является его высокая нагревостойкость (300 – 400°С) и низкая теплопроводность. Из асбеста изготавливают материалы в виде листов разной толщины в виде веревок разного диаметра и асбестовых тканей. У асбеста плохие электроизоляционные свойства (диэлектрическая прочность 0,6 – 1,2 кВ/мм). Чаще всего асбест применяют в качестве теплоизолятора. В качестве электроизолятора используется только в низковольтных установках.

Электроизоляционные лакированные ткани

Лакоткани и стеклоткани представляют собой гибкий материал и изготовляют из х/б, стеклянной или шелковой ткани. После этого ткань пропитывают масляно-битумным или масляным лаком или другим изоляционным составом. Они выпускаются рулонами толщиной 0,1—0,3 мм и шириной от 700 до 1000 мм. Марки лакоткани, выпускаемые промышленностью ЛХС, ЛХСМ, ЛХСС, ЛХЧ, ЛШС. Марки стеклоткани ЛСБ, ЛСМ, ЛСЭ, ЛСММ, ЛСК, ЛСКР, ЛСКЛ. Лакоткань шелковую марки ЛШС выпускают также и толщиной 0,08 мм, а ЛШСС может иметь толщину 0,04 мм.

Лакоткань

У марок лакотканей и стеклотканей аббревиатура в названии расшифровывается следующим образом:
Л — лакоткань;
X — хлопчатобумажная;
С — на втором месте — стеклянная;
К — на втором месте — капроновая;
С — на третьем месте — светлая;
К — на третьем месте — кремнийорганическая;
С — на четвертом месте — специальная;
Л — на четвертом месте — липкая;
Ч — черная;
Ш — шелковая;
Б — битумно-маслянноалкидная;
М — маслостойкая;
Р — резиновая;
Э — эскапоновая.
Стеклоткань имеет высокую нагревостойкостью. Марки ЛСКЛ и ЛСК — около 180°С, а марка ЛБС доходит до 130° С. Их электрическая прочность составляет 35 – 40 кВ/мм.

Стеклоткань

Лакоткань и стеклоткань используются в качестве электро и тепло изоляционных материалов. Чаще всего ими изолируют слои обмоток катушек.

Пленочные материалы

К этим материалам относятся лавсановая пленка, фторопластовая пленка, пленкоэлектрокартон (электрокартон, оклеенный изоляционной пленкой, например триацетатной), терфан, мелинекс (полиэтилентерефталатные пленки). Данные изоляционные материалы имеют диэлектрическую прочность до 200 кВ/мм, прочность на разрыв равную 30 кг при толщине пленки 0,05 мм.
Их нагревостойкость достигает, а иногда и превосходит 120° С.

Фторопластовая пленка

Слоистые изоляционные материалы

К слоистым изоляционным материалам относятся текстолит, стеклотекстолит, и гетинакс.

Текстолит

Текстолит представляет собой слоистый изоляционный материал. Изготовлен методом прессованния при 150°С многослойной х/б ткани, пропитанную резольной смолой. По сравнению с другим изоляционным материалом, гетинаксом имеет более высокую механическую прочность, но худшие некоторые характеристики, такие, как влагостойкость и цена. Выпускается в форме цилиндров, стержней, трубок и листов. Имеет две основные марки: А — которая обладает высокой электрической прочностью, и Б — с лучшими механическими свойствами и хорошей влагостойкостью. Текстолит хорошо механически обрабатывается. Из него изготавливаются каркасы катушек, диэлектрические щиты, платы, штанги, прокладки. Благодаря хорошим износостойким свойствам из него делают шестеренки, вкладыши для подшипников.

Стеклотекстолит

Стеклотекстолит изготовляют та же, как и текстолит, только из стеклоткани, пропитанной теплостойкой смолой. Характеристики стеклотекстолита выше, чем у текстолита и гетинакса. Стеклотекстолит имеет высокую электрическую прочность (20 кВ/мм), большую механическую прочность, нагревостойкость (от 180 до 225° С) и влагостойкостью. Но имеет себестоимость выше текстолита.

Гетинакс

Гетинакс изготовляют из прессованной бумаги, пропитанной бакелитовой смолой. Современная промышленность выпускает в виде листов толщиной от 0,4 до 50 мм. Так же гетинакс выпускается в виде стержней различного диаметра. Гетинакс маркируется А, Б, В, Вс. Диэлектрическая прочность гетинакса составляет 20 – 25 кВ/мм и может работать как на воздухе, так и в масле. Гетинакс превосходно обрабатывается как ручным инструментом, так и станками. Из гетинакса могут изготовляться диэлектрические щиты, штанги, прокладки, платы, каркасы катушек и трансформаторов. К недостаткам можно отнести низкую нагревостойкость. При нагреве поверхность гетинакса обугливается и начинает проводить электрический ток.

Слюдяные изоляционные материалы

Слюдяные изоляционные материалы изготавливаются из слюды — минерала кристаллического строения. Слюду расщепляют на отдельные пластинки и склеивают с помощью лака или смолы. Промышленность выпускает несколько видов слюдяных изоляционных материалов. Это мусковит, миканит, флогопит. Мусковит обладает самыми лучшими характеристиками и применяется при изготовлении конденсаторов, прокладок электроприборов. Миканиты бывают гибкие (марки ГФС, ГМС), твердые (марки ПМГ, ПФГ), чаще используются для прокладок и формовочные (мари ФФГ и ФМГ). Миканиты применяются для изготовление каркасов и используются в качестве прокладок и для загильзовки в обмотках электрических машин. Слюдяные изоляционные материалы имеют высокую нагревостойкость порядка 130—180° С, диэлектрическую прочность в пределах 15—20 кВ/мм и отличную влагостойкость.

Из щипаной слюды, наклеенной на ткань или бумагу изготовляют микаленту. Микалента имеет ширину 12—35 мм и толщину 0,08—0,17 мм. Микалента выпускается марками ЛФЧ, ЛМЧ, ЛМС, ЛФС. В конце марки ставят римские цифры I или II. Миколента с цифрой I имеет повышенную электрическую прочность, а с цифрой II -нормальную электрическую прочность.
В настоящее время из за дефицита слюды как сырья и ее дороговизны, часто стали использовать отходы слюды. Из отходов стали изготавливать слюдяную бумагу, слюдиниты, стеклослюдиниты и другие электроизоляционные материалы.

Керамические изоляционные материалы

Фарфор

Фарфор или, так называемая, электротехническая керамика. Обладает такими свойствами, как нагревостойкость ( 150—170°С), диэлектрическая прочность (20—28 кВ/мм), высокая механическая прочность, устойчивость к проникновению воды ( воду не поглощает), устойчив к агрессивным средам, радиационным излучениям. Электротехническая керамика используется в таких отраслях, как электрика, электроника, автоматика и телемеханика, вычислительная техника. Из электротехнического фарфора делают различные изоляторы, изоляционные тяги.

Стеатит

Стеатит это керамический материал. Обладает высокой диэлектрической прочностью (30—50 кВ/мм). Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам стеатит применяется для изготовления особо ответственных изоляторов и изоляционных узлов.

electry.ru

виды, свойства, характеристики и области применения :: SYL.ru

Изоляционные материалы предназначены для ограничения конструкций и отдельных элементов от контакта с теми или иными средами. По этому принципу работают строительные водо-, паро- и теплоизоляционные материалы. В сферах, где используются электротехнические проводники, требуется изоляция другого рода – в виде диэлектриков. Их задача заключается в исключении контактов между активными эксплуатируемыми проводниками тока и материалами, которые не рассчитываются на обеспечение данной функции. В качестве целевых объектов могут выступать технические средства, прибора, строительные конструкции и даже декоративные покрытия. В свою очередь, электроизоляционные материалы создают барьер для прохождения электрического тока независимо от того, переменный он или постоянный.

Классификации изоляторов

Электроизоляторы различаются по своему происхождению и агрегатному состоянию. Что касается происхождения, то в качестве признаков выделяют принадлежность к органическим и неорганическим материалам, а также к натуральному и синтетическому сырью. К природным материалам можно отнести слюду, которая характеризуется прочностью, гибкостью и способностью к расщеплению. Это неорганический диэлектрик естественного происхождения. И напротив, в группе синтетических органических материалов можно отметить химические высокомолекулярные соединения. В готовом к использованию виде они предлагаются как пластмассы и эластомеры. Основные эксплуатационные различия определяет классификация электроизоляционных материалов по агрегатному состоянию. Выделяются твердые и жидкостные, а также газообразные диэлектрики.

Свойства изоляторов тока

Основная задача диэлектрика заключается в обеспечении изоляционной функции. Поэтому в качестве базовых эксплуатационных свойств можно отметить повышенное удельное сопротивление, небольшой тангенс потерь диэлектрика и высокое пробивное напряжение – уже упомянутый пробой. Сопротивление определяет, насколько материал сможет препятствовать проводимости тока при разных параметрах контактирующей электрической цепи. Потери диэлектрика, в свою очередь, указывают на влияние изолятора на показатели активного проводника – нормативно это значение должно стремиться к нулю, но чаще всего высокая сопротивляемость как раз приводит и к повышению потерь в основной цепи. Немаловажны и пробивные свойства электроизоляционных материалов, которые определяются напряжением. В данном случае можно говорить о непосредственной проницаемости целевого материала. При этом все перечисленные свойства фиксируются лишь в том случае, если была отмечена стабильность их «работы» во времени и при заданной температуре. Иногда в качестве параметра стабильности при испытаниях указывается и частота электрического поля.

Характеристики электроизоляторов

Одной из главных характеристик диэлектриков является поверхностное сопротивление. Это сопротивление, которое возникает в момент прохождения тока по поверхности материала. Следующей по значимости характеристикой можно назвать диэлектрическую проницаемость. Как уже говорилось, проницаемость напрямую связана с пробиваемостью целевого материала. И отдельного внимания заслуживают физико-химические характеристики. В их числе отмечают водопоглощаемость, вязкость и кислотность. Водопоглощаемость указывает на степень пористости материала и присутствие в нем водорастворимых элементов. Чем выше это значение, тем выше эффективность материала как диэлектрика. В свою очередь, вязкость характеризуется текучестью, что важно для определения взаимодействия материала с жидкостными или расплавленными диэлектриками. Кислотным числом обычно характеризуются жидкие диэлектрики. Например, основные особенности электроизоляционных материалов сводятся к способности нейтрализовать свободные кислоты, содержащиеся в 1 г материала. Присутствие свободных кислот понижает электроизоляционные качества электроизоляторов.

Газообразные изоляторы

Практически все газообразные электроизоляционные материалы обеспечивают диэлектрическую проницаемость, в коэффициенте равную 1. К плюсам таких изделий можно отнести небольшую долю диэлектрических потерь, хотя и степень пробоя тоже невелика. Как правило, основной газообразной средой с функцией электрического изолятора выступает воздух, дополненный специальными включениями. Но к сегодняшнему дню получил широкое распространение и элегаз, который применяется в качестве диэлектрической основы. Газообразные виды электроизоляционных материалов базируются на гексафториде серы, что обеспечивает более высокую защиту в показателе пробоя, а в некоторых случаях наблюдается и дугогасительная способность. Когда речь идет о сложных условиях эксплуатации целевого объекта защиты, газовая среда может дополняться органическими изоляторами.

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.

Жидкие диэлектрики

К жидким изоляторам относятся синтетические жидкости, масла, пасты, лаки и смолы. Особенно распространены минеральные масла, являющиеся продуктом нефтяной переработки и представляющие собой комбинацию жидких углеводородов. Они используются в масляных выключателях, небольших трансформаторах, конденсаторах и кабелях. Популярна и жидкая электроизоляция в виде пропитки. Ее часто применяют при подготовке кабелей и тех же конденсаторов к работе. Материал представляет собой бумажную изоляцию, в которой бумага является носителем, а пропитка – активной защитной средой.

Гильзовая электроизоляция

Это материал из группы механических защитных устройств, который обеспечивает внешнюю физическую защиту. Обычно используются гибкие гильзы, которыми защищаются проводники силовых агрегатов, трансформаторы и кабели. По этому же принципу работает традиционная изоляционная лента, задача которой заключается в создании физической преграды. Гильзы также выступают прослойкой, никак не взаимодействующей с источником тока на электрохимическом уровне. Однако среди недостатков этого материала отмечается быстрый износ.

Конденсаторы

Электрическая изоляция является важным условием полноценной работоспособности конденсаторов. В некоторых случая сам конденсатор выступает как диэлектрик в составе сложной электротехнической цепи. Такие приборы имеют разное применение, в том числе выделяется нейтрализация индукционных эффектов в линиях с переменным током, накопление заряда, а также получение токовых импульсов для всевозможных приложений. Для использования конденсатора в качестве изоляционной точки необходимо иметь представление о требуемой емкости. В приборах она рассчитывается исходя из характеристик системы или посредством вычисления размера заряда на обкладке. В самой конструкции для обеспечения защитной функции могут применяться электроизоляционные материалы в виде лаков и масел. В зависимости от типа конденсатора определяется и набор вторичных функций – например, учитывается горючесть, влагостойкость, износостойкость и т.д.

Вакуум как изолятор

Газовая среда при крайне низком давлении может создавать условия, когда газ просто не сможет образовывать заметный ток в межэлектродном зазоре. Такие условия называют изоляционным вакуумом. При столкновении с электронами или положительными ионами, которые вылетают из электродов, ионизация молекул газа под низким давлением происходит очень редко. Так называемый высокий вакуум при условии постоянного напряжения до 20 кВ на поверхности катода может обойтись без пробоя при напряженности поля порядка 5 МВ/см. Если речь идет об аноде, то напряженность должна быть в разы выше. И все же заметное увеличение напряжения способствует тому, что вакуумные электроизоляционные материалы утрачивают свой защитный потенциал. Пробой в данном случае может наступать в результате обмена заряженными частицами в связке катод-анод. Диэлектрики такого типа чаще используются в электронике. Их применяют и в целях ускорения электронов в обычных приборах, и в рентгеновских аппаратах для обеспечения высоковольтных приложений.

Компаунд как основной диэлектрик в радиотехнике

Довольно практичный в использовании и недорогой способ диэлектрической защиты. Компаунд наносится на рабочую зону, после чего застывает, в полной мере обретая свои основные функциональные качества. При этом нельзя сказать, что компаунды – это обязательно твердые электроизоляционные материалы, так как встречаются и разновидности жидкостного типа. Даже в рабочем состоянии они не отвердевают. Также существуют заливочные и пропиточные виды данного материала. Отличительной чертой всех компаундов является полное отсутствие растворителей в составе. Это дает возможность обеспечивать деликатную пропитку сложных электромеханических деталей и аппаратов.

Современные электроизоляционные материалы

К электроизоляторам нового поколения относится широкая группа полимерных материалов. В основном это пленочные изделия, которые обеспечивают эффект диэлектрика путем создания соответствующей оболочки. Пленка производится в формате рулонов, толщина которых варьируется от 5 до 250 мкм. Помимо основных электроизоляционных свойств, такие пленки характеризуются гибкостью, эластичностью, прочностью и стойкостью на разрыв. Удобна в применении и полимерная изоляционная лента, которая имеет толщину 0,2-0,3 мм. Такие материалы проигрывают многим традиционным диэлектрикам лишь в одном качестве – экологической безопасности. Это не самый безобидный материал в плане токсической угрозы, поэтому его используют по большей части в промышленности, хотя бывают и исключения.

Сферы применения электроизоляторов

Практически все сферы, в которых задействуется электропроводка, в том или ином виде применяют и диэлектрические средства. Базовым примером можно назвать кабели, которые получают несколько слоев изоляции – как электрической, так и механической. Приборостроение можно назвать второй по популярности сферой использования данной изоляции. От воздействия токов ограничивают как отдельные детали аппаратной части, так и технологические узлы в электротехнических машинах. В строительстве также востребованы средства изоляции от тока. Например, в прокладке домашней и уличной проводки тоже задействуются электроизоляционные материалы. Применение диэлектриков позволяет сохранить материалы, которые находятся рядом с токопроводящим контуром. В некоторых случаях подобная изоляция себя оправдывает и как средство понижения потерь в напряжении основной линии.

Заключение

Спектр вариантов электрической изоляции довольно широк, что дает возможность целенаправленно подобрать материал специально под конкретные нужды. Например, в быту распространены твердотельные виды электроизоляционных материалов, а также диэлектрики в форме деталей. В промышленности и строительстве могут применяться газовые и жидкостные среды. Коммунальная же сфера охватывает практически весь диапазон электрической изоляции, поскольку условия защиты могут быть очень разными.

www.syl.ru

§ 10. Общие сведения о диэлектрических материалах

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. поляризация. Используемые диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность – способность диэлектрика пропускать постоянный электрический ток. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток весьма мал. Следовательно, для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков равно 10¹²–10²⁰ Ом·м.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (большое сопротивление прохождению электрического тока и способность поляризоваться).

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектронных устройствах. Электрическая изоляция является неотъемлемой частью электрической цепи и, прежде всего, нужна для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой цепям. Электрической цепью называется контур для протекания электрического тока. Электрическая схема представляет собой изображение электрической цепи с применением стандартизованных условных графических обозначений ее элементов.

Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называют пассивными. Широко применяются так называемые активные диэлектрики, параметры которых можно регулировать, изменяя напряженность электрического поля, температуру, механические напряжения и другие параметры воздействующих на них факторов.

По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготавливаемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, наиболее характерными являются электрические свойства – электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрическая прочность и электрическое старение.

Техника, технология производства и эксплуатация электротехнического и радиоэлектронного оборудования предъявляют самые разнообразные требования к свойствам диэлектрических материалов. Кроме нужных электрических свойств диэлектрические материалы должны обладать еще и требуемыми термическими, механическими и многими другими свойствами.

Электрическая прочность диэлектриков характеризуется сопротивлением пробою. Пробой – это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряженностью E_пр называется отношение пробивного напряжения U_пр к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

studfile.net

Диэлектрики

Все жидкие и твердые вещества по характеру действия на них электростатического поля делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.

Если поместить в электрическое поле нейтральные тела из таких материалов, как стекло, эбонит, можно наблюдать их притяжение как к положительно заряженным, так и к отрицательно заряженным телам, но значительно более слабое. Однако при разделении таких тел в электрическом поле их части оказываются нейтральными, как и всё тело в целом.

Следовательно, в таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля. Вещества, не содержащие свободных электрически заряженных частиц, называют диэлектриками или изоляторами.

Притяжение незаряженных тел из диэлектриков к заряженным телам объясняется их способностью к поляризации.

Поляризация – явление смещения связанных электрических зарядов внутри атомов, молекул или внутри кристаллов под действием внешнего электрического поля. Самый простой пример поляризации – действие внешнего электрического поля на нейтральный атом. Во внешнем электрическом поле сила, действующая на отрицательно заряженную оболочку, направлена противоположно силе, которая действует на положительное ядро. Под действием этих сил электронная оболочка несколько смещается относительно ядра и деформируется. Атом остаётся в целом нейтральным, но центры положительного и отрицательного заряда в нём уже не совпадают. Такой атом можно рассматривать как систему из двух равных по модулю точечных зарядов противоположного знака, которую называют диполем.

Если поместить пластину из диэлектрика между двумя металлическими пластинами с зарядами противоположного знака, все диполи в диэлектрике под действием внешнего электрического поля оказываются обращёнными положительными зарядами к отрицательной пластине и отрицательными зарядами к положительно заряженной пластине. Пластина диэлектрика остаётся в целом нейтральной, но её поверхности покрыты противоположными по знаку связанными зарядами.

В электрическом поле поляризационные заряды на поверхности диэлектрика создают электрическое поле, противоположно направленное внешнему электрическому полю. В результате этого напряжённость электрического поля в диэлектрике уменьшается, но не становиться равной нулю.

Отношение модуля напряжённости E₀ электрического поля в вакууме к модулю напряжённости Е электрического поля в однородном диэлектрике называется диэлектрической проницаемостью ɛ вещества:

ɛ =  Е₀ / Е

При взаимодействии двух точечных электрических зарядов в среде с диэлектрической проницаемостью ɛ в результате уменьшения напряжённости поля в ɛ раз кулоновская сила также убывает в ɛ раз:

F_э = k (q₁ · q₂ / ɛr²)

Диэлектрики способны ослаблять внешнее электрическое поле. Это их свойство применяется в конденсаторах.

Конденсаторы – это электрические приборы для накопления электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделённым слоем диэлектрика. При сообщении пластинам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов +q и –q между пластинами создаётся электрическое поле с напряжённостью Е. Вне пластин действие электрических полей, направленное противоположно заряженных пластин, взаимно компенсируется, напряжённость поля равна нулю. Напряжение U между пластинами прямо пропорционально заряду на одной пластине, поэтому отношение заряда q к напряжению U

C = q / U

является для конденсатора величиной постоянной при любых значениях заряда q. Это отношение С называется электроёмкостью конденсатора.

Остались вопросы? Не знаете, что такое диэлектрики?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

blog.tutoronline.ru