Сообщение на тему диэлектрики по физике 8 класс

Обновлено: 02.07.2024

Диэлектриками называют вещества, не обладающие способностью проводить электрический ток.

Стоит отметить, что данное определение лишь приблизительно выражает физический смысл приведенного понятия.

Абсолютных изоляторов, то есть веществ, которые совсем не проводят ток, в природе не существует. Диэлектрики по сравнению с проводниками в 1015 − 1020 раз хуже проводят ток. Данный факт основывается на том, что в диэлектриках отсутствуют свободные заряды.

Что такое диэлектрики и их примеры

Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то, как диэлектрик, так и само поле значительно изменятся. В диэлектриках, в которых до контакта с полем не было заряда, возникают электрические заряды. Это явление объясняется процессом поляризации вещества, другими словами, в поле диэлектрик обретает электрические полюсы. Возникающие при этом заряды называются поляризационными.

Разделить такие заряды невозможно, чем они существенно отличаются от индукционных зарядов в проводниках. Данное отличие основывается на том факте, что в металлах присутствуют электроны, имеющие возможность перемещаться на относительно большие расстояния. В диэлектриках положительные и отрицательные заряды связаны между собой, и их перемещение ограничено пределами одной молекулы, что является крайне малым расстоянием.

Действие электрического поля на заряды, принадлежащие диэлектрику, провоцирует лишь легкое смещение относительно изначального положения, тогда как заряды проводников, испытывающие такое же влияние, срываются с места. В условиях отсутствующего электрического поля диэлектрик может быть условно представлен в виде совокупности молекул, в каждой из которых положительные и отрицательные заряды равные по величине распределены по всему объему вещества.

В процессе поляризации заряды каждой отдельной молекулы диэлектрика смещаются в противоположные ее стороны. Соответственно, одна часть молекулы становиться положительно заряженной, а другой - отрицательно, что, в общем, дает возможность заявить: молекула превращается в электрический диполь.

Равнодействующая электрических сил, в однородном поле оказывающих влияние на нейтральную молекулу диэлектрика, эквивалентна нулю. Этот факт основывается на том, что центр тяжести молекулы не передвигается ни в одну из сторон. Молекула просто претерпевает деформирование.

Существуют такие диэлектрики, в которых в условиях отсутствующего электрического поля молекулы имеют дипольный момент (полярные молекулы).

В случае, когда поле отсутствует, такие молекулы, принимающие непосредственное участие в тепловом движении, ориентированы беспорядочно. Если же диэлектрик находится в поле, молекулы, в основном, ориентируются по его направлению. Соответственно, диэлектрик проходит процесс поляризации.

У симметричных молекул, таких как, к примеру, O 2 , N 2 , в отсутствие поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов одинаковы. По этой причине собственного дипольного момента у молекул нет (неполярные молекулы). У несимметричных же молекул (возьмем в качестве примера H 2 O , C O ) центры тяжести сдвинуты друг относительно друга, в результате чего молекулы имеют дипольный момент и носят название полярных.

Также существуют диэлектрические или же ионные кристаллы, которые формируются при помощи ионов с противоположным знаком. Такой кристалл состоит из пары “вдвинутых” друг в друга кристаллических решеток, одна из которых является положительной, а вторая - отрицательной. В целом кристалл условно можно принять за подобие гигантской молекулы. Процесс наложения электрического поля провоцирует сдвиг одной решеток относительно друг друга, вследствие чего и происходит поляризация ионных кристаллов. Существует также тип поляризованных без участия поля кристаллов. При дальнейшем исследовании поведения диэлектриков в электрических полях механизм возникновения поляризации значения иметь не будет. Существенным фактом является только то, что поляризация диэлектрика происходит через появление некомпенсированных макроскопических зарядов. Значения объемной плотность зарядов ( ρ ) и поверхностной плотности ( σ ) неполяризованного диэлектрика равняются нулю. После же процесса поляризации σ ≠ 0 , а в некоторых случаях и ρ ≠ 0 . Поляризация приводит к появлению в тонком поверхностном слое диэлектрика избытка связанных зарядов с одним знаком. В том случае, если ортогональная или же перпендикулярная часть напряженности поля E n → ≠ 0 на приведенном участке, то в результате влияния поля заряды с одним знаком уходят внутрь, а с другим, наоборот, выходят наружу.

Вектор поляризации диэлектрика

Поляризованность P → или, другими словами, вектор поляризованности характеризует степень поляризации диэлектрика:

где ∆ ρ представляет собой дипольный момент элемента диэлектрика.

В условиях неполярных молекул вектор поляризованности может быть определен в следующем виде:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N ρ 0 → ,

где сложение идет относительно всех молекул в объеме △ V . N - концентрация молекул,
ρ 0 → является индуцированным дипольным моментом (Он один и тот же у всех молекул). ρ 0 → ↑ ↑ E → .

Формула поляризованности в условиях полярных молекул принимает вид следующего выражения:

P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → ,

в котором P → представляет собой среднее значение дипольных моментов, которые равнозначны по модулю, но обладают разными направлениями.

В изотропных диэлектриках средние дипольные моменты по направлению идентичны напряженности внешнего электрического поля. У диэлектриков с молекулами полярного типа, вклад в поляризованность от наведенных зарядов значительно ниже вклада от переориентации поля.

Ионная решеточная поляризации может быть описана следующей формулой: P → = 1 ∆ V ∑ ∆ V ρ i → = N p → .

В большей части случаев подобная поляризация является анизотропной.

Если представить плоский конденсатор, который заполнен диэлектриком так, как это проиллюстрировано на рисунке 1 , то на принадлежащей ему левой обкладке расположен положительный заряд, а на правой - отрицательный. По причине того факта, что разноименные заряды притягиваются друг к другу, у положительной обкладки на поверхности диэлектрика появится отрицательный заряд, а у правой, то есть отрицательной – положительный заряд диэлектрика. Выходит, что поле, формирующееся поляризационными зарядами, имеет противоположное направлению поля направление, которое создают обкладки, соответственно, диэлектрик ослабляет поле.

+ q , − q представляют собой заряды на обкладках конденсатора.

E → является напряженностью поля, которое формируется обкладками конденсатора.

− q ′ , + q ′ - это заряды диэлектрика.

E → ' - напряженность поля, которое создается как результат поляризации диэлектрика.

Явление влияния вещества на магнитное и электрическое поля было эмпирическим путем открыто Фарадеем. Именно этим ученым было в науку были введены такие термины, как диэлектрик и диэлектрическая постоянная.

В случае если однородный изотропный диэлектрик полностью заполняет собой объем, ограниченный эквипотенциальными поверхностями поля сторонних зарядов, то напряженность поля внутри него в ε раз меньше напряженности поля сторонних зарядов.

где ε определяет диэлектрическую проницаемость среды.

Напряженность поля точечного заряда, который расположен в диэлектрике с некоторой диэлектрической проницаемостью ε, может быть выражена в виде следующего выражения:

E → = 1 4 π ε ε 0 q r 3 r → .

Закон Кулона для зарядов, находящихся в жидком и газообразном диэлектрике принимает такой вид:

F → = 1 4 π ε ε 0 q 1 q 2 r 3 r → .

Задание: Бесконечную плоскую пластину из однородного изотропного диэлектрика разместили в однородном электростатическом поле с напряженностью E = 200 В м , направленной под прямым углом силовым линиям поля. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика равняется 2 . Какова напряженность поля внутри диэлектрика?

Решение

Поле в вакууме в ε раз сильнее, чем поле в диэлектрике, по этой причине запишем, что:

Произведем некоторые расчеты:

E → ' = 200 2 = 100 В м .

Ответ: Напряженность поля в пластине будет 100 В м .

Задание: Заряженные шарики обладают массой m 1 = m 2 = m . Они подвешены на нитях, имеющих одинаковые значения длины, в одной точке, их заряды эквивалентны q 1 и q 2 ( смотри рисунок 1 ). Изначально они располагаются в воздухе (диэлектрическая проницаемость ε 1 ), после этого погружаются в жидкость ε 2 . Каково отношение диэлектрических проницаемостей ε 2 ε 1 , если при погружении в жидкость системы из шариков угол расхождения нитей не претерпел изменений? Отношение плотности шариков к плотности диэлектрика ρ s h ρ d = b .

Решение

Запишем условие равновесия шарика в симметричной системе в воздухе:

F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 .

Теперь выразим условие равновесия одного шарика в жидкости:

F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 .

Запишем проекции уравнения F e 1 → + m g → + N 1 → = 0 на оси:

О х : F e 1 - N 1 sin a 2 = 0 ,

O y : m g - N 1 cos α 2 = 0 .

Проекции уравнения F e 2 → + m g → + N 2 → + F A → = 0 на оси:

О х : F e 2 - N 2 sin α 2 = 0 ,

O y : m g - N 2 cos α 2 - F A = 0 .

Берем отношение уравнения F e 1 - N 1 sin a 2 = 0 и m g - N 1 cos a 2 = 0 , в качестве результата получаем:

t g a 2 = F e 1 m g .

Уравнение F e 2 - N 2 sin a 2 = 0 на уравнение m g - N 2 cos a 2 - F A = 0 , получаем:

t g a 2 = F e 2 m g - F A → F e 1 m g = F e 2 m g - F A .

Основываясь на законе Кулона, запишем такое выражения для F e 1 , F e 2 :

F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 .

Модуль силы Архимеда равняется следующему выражению:

F A = ρ d V g = ρ d m ρ s h g .

Подставим в уравнение t g a 2 = F e 2 m g - F A → F e 1 m g = F e 2 m g - F A уравнения F e 1 = q 1 q 2 4 π ε 1 ε 0 r 2 и

F e 2 = q 1 q 2 4 π ε 2 ε 0 r 2 , в результате получим:

q 1 q 2 4 πε 1 ε 0 r 2 m g = q 1 q 2 4 πε 2 ε 0 r 2 m g - ρ d m ρ s h g → 1 ε 1 1 = 1 ε 2 1 - ρ d ρ s h → ε 2 ε 1 = 1 1 - ρ d ρ s h = 1 1 - b .

Ответ: Диэлектрическая проницаемость жидкости должна быть ε 2 e 1 = 1 1 - b .

Очень многие школьники и студенты не любят физику из-за большого количества заумных слов и странных формул. Одной из таких загадочный тем становятся диэлектрика. Что это, где она применяется и зачем вообще нужна? Дети никак не могут понять, а учителя нормально не объясняют важную информацию. Именно поэтому сегодня я, учитель физики, хочу помочь студентам и школьникам в изучении диэлектрики.

Диэлектрики или изоляторы – это вещества, которые немного или вообще не проводят ток. К ним можно отнести все неприводимое: воздух, газы, древесину, стекло, пластмассу и многое другое. Они применяются во многих технологиях и машинах, позволяют ограничить распространение тока.

Возьмем, например, пластик. Если мы поместим небольшой кусок в электризованную среду, то заметим необычное явление: он начнет притягиваться к положительным или отрицательным зарядам. Но как только мы выключим поле, все прекратится. Пластик перестанет притягиваться и останется на месте.

Собственно, этот эксперимент и показывает, что изоляторы не могут переводить ток, а являются для него некой преградой, которая мешает ему, распространится дальше. И если даже электричество проходит, то в минимальных, безвредных количествах.

Иногда происходит очень сильная путаница со свойствами диэлектриков. Многие дают им бесполезные и невозможные функции, которые никогда не встречались у этих материалов, или, наоборот, – убирают. Сейчас я кратко и быстро расскажу вам о всех свойствах диэлектриков.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти.

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной.

Виды диэлектриков

У многих школьников или студентом возникает сильная путаница с классификацией диэлектриков. Они просто не понимают, какие есть группы и на что они делятся. Сейчас я попытаюсь вам понятно все объяснить, чтобы, прочитав один раз, вы поняли навсегда.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию выделяется три основных вида диэлектриков:

твердые – это стекло, пластик, керамика и подобные вещества. Они используются в специализированных станциях и заводах, позволяют ограничить распространение тока и сделать среду более безопасной для окружающих;
жидкие – это масла, спреи, дистиллированная вода, которые снабжаются в различных машинах и технологиях. Например, это трансформаторы, которые просто не могут работать без изоляторов;
газовые – к этому типу относятся исключительно азот, который чаще всего используют для того, чтобы понизить их температуру. Это позволяет обезопасить технику от сильного перегрева и возможного взрыва.

Классификация по происхождению

По происхождения изоляторы бывают органическими и неорганическими:

органические – это диэлектрики, которые добываются в окружающей среде и были созданные не под влиянием человека. Они используются крайне редко, из-за их малого количества свойств;
неорганические – эти изоляторы создаются самими людьми и чаще всего используются в производстве и деятельности. Они отлично останавливают ток и блокируют его распространение.

Способы применения

Многие мои ученики думают, что диэлектрики применяются везде, где есть хоть какие-либо технологии, в каждой машине и приборе. Но это ошибочное мнение, потому что они используются исключительно в тех случаях, когда необходимо ограничить распространение электрического тока и обезопасить окружающую среду.

У диэлектриков есть большое количество способов применения. Например, жидкие непереводные вещи используются в создании разных видов масел, которые применяются в транспортных средствах, помогают укрепить промышленные детали и сделать электроизоляцию.

Газовые диэлектрики – это азот. Его применение очень широко. Многие используют азот для охлаждения промышленных приспособлений или химических смесей, а во многих печках он помогает избежать сильной газовой протечки, а также часто применяется в высокоточных переключателях. Их можно встретить в каждом доме, в котором присутствуют какие-либо газовые приборы.

Огромное спектр применения у твердых диэлектриков. Например, они применяются в проводах, электронных машинах, на станциях и так далее. Эти компоненты используются даже в космосе для поддержки кораблей. Твердые диэлектрики более практичные и многофункциональные, чем прочие агрегатные компоненты, вследствие этого их можно встретить намного чаще.

Диэлектрики есть везде, даже в вашем доме. Посмотрите на свои провода, электронные приборы и считок. Везде есть диэлектрики, которые позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогло бы существовать половина приборов и машин.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Диэлектрики

Это такие вещества, в которых нет свободных зарядов . Заряженные частицы не могут двигаться по всему объему тела. Они способны только смещаться на небольшие расстояния относительно своих равновесных состояний. Не проводят электрический ток.

Диэлектрики бывают: полярными, неполярными, кристаллическими.

У полярных диэлектриков молекула такая, что ее ядро и электроны находятся друг от друга на некотором расстоянии, то есть сдвинуты положительный и отрицательный центры. Поэтому молекулу называют электрическим диполем . К полярным диэлектрикам относятся дистиллированная вода, спирт.

У неполярных диэлектриков молекула симметричная. Вещества: парафин, бензол, азот и др.

К кристаллическим диэлектрикам относятся такие вещества, у которых кристаллическую решетку можно рассматривать как две подрешетки - с положительными и отрицательными ионами.

Это вещества, в которых есть свободные заряженные частицы (электроны, положительные ионы и отрицательные ионы), способные перемещаться по всему объему вещества. Это металлы, растворы солей, кислот и щелочей и др. Эти вещества проводят электрический ток.

Вещества в электрическом поле

При помещении в электростатическое поле полярного диэлектрика, диполи переориентировываются таким образом, что вектор напряженности E' внутреннего поля направлен в противоположную сторону относительно вектора напряженности внешнего поля E ₀ .

Поляризация приводит к ослаблению внешнего электрического поля в раз, где - диэлектрическая проницаемость

Аналогичным образом ведут себя кристаллические диэлектрики.

При помещении во внешнее поле неполярного диэлектрика у нейтральных молекул деформируются электронные облака, происходит электронная поляризация .

При помещении проводника все свободные заряды одного знака устремляются в одну сторону, заряды противоположного знака в противоположную сторону, это явление называется электростатической индукцией . Внутреннее поле, которое при этом образуется внутри проводника "гасит" внешнее поле.

Так как свободные заряды концентрируются по краям, а не во всем объеме вещества, как у диэлектриков, то внутри проводника отсутствует электростатическое поле. Напряженность внутри проводника равна нулю. Использование этого свойства называется электростатической защитой . Помещенные внутрь проводника тела не будут испытывать действие внешнего электростатического поля, проводник как бы ограждает.

Проводящая сфера

Рассмотрим проводник сферической формы.

Заряды на поверхности распределяются так, что их плотность больше в точках поверхности, обладающей большей кривизной. По поверхности сферы заряд распределяется равномерно.

А что произойдет, если внутрь сферической оболочки поместить заряд? Индукционные заряды возникнут на ее внутренней поверхности. В этом случае внутри сферы поле будет.

Для равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, справедливы формулы:

Благодаря своим огромным размерам Земля действует как резервуар зарядов, принимая и отдавая электроны. Когда мы поднесем к заземленному металлическому предмету отрицательно заряженный стержень, свободные электроны в металле будут отталкиваться и уходить в Землю. Если отсоединить стержень от этого предмета, на металле останется избыточный положительный заряд. Так мы зарядим тело положительным зарядом.

Различные стадии зарядки тела: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках — отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа.

Вопрос: К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

Ответ: В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Вопрос: Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Вопрос: Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Ответ: Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Вопрос: Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

Ответ: а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней - положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором - только вне сферы.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

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.

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 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.

Наряду с электрическими материалами спрос на диэлектрические материалы растёт день за днём. Это связано с увеличением мощности государственных промышленных предприятий, частных предприятий и с ростом государственных и негосударственных общественных организаций и учреждений. Большой спрос на диэлектрические материалы, также, связан с увеличением количества разнообразных электроприборов и средств связи 1. В технике используют различные виды диэлектриков, которые изготавливаются в процессе переработки природных ресурсов и химических материалов. Применяемые в народном хозяйстве диэлектрические материалы условно можно классифицировать в виде, показанном на рис.
Как известно, диэлектрические свойства материалов определяются расположением атомов и молекул в кристаллической решетке. Химические элементы, входящие в состав материала, а также структура, симметрия и степень упорядоченности кристаллической решетки, определяют как диэлектрические свойства материалов, так и их зависимость от внешних факторов, включая температуру.

1.2Классификация диэлектрических материалов

В зависимости от указанных факторов, каждый отдельно взятый диэлектрический материал может по-разному проявлять свои изоляционные свойства, определяющие область его применения. Отметим, что в настоящее время отсутствует единый подход в оценке диэлектрических материалов. В данной работе систематизированы сведения о существующих диэлектрических материалах, проанализированы их преимущества и недостатки. Составлена структурная схема, в которой представлена классификация диэлектрических материалов. Схема строилась на основе разделения всего множества диэлектрических материалов по специфическим особенностям способов их переработки и изготовления.
Если остановиться на совокупности диэлектрических материалов, приведённых на рис., то можно отметить следующее. В народном хозяйстве широко используются диэлектрические материалы, состоящие из органических и неорганических элементов.

В науке неорганические химические материалы известны как соединения углерода с другими элементами. Поскольку углерод обладает повышенной способностью образования химических соединений, то его роль можно заметить в создании веществ с цепочечными или разветвлёнными молекулами, которые могут образовываться только из атомов углерода или из атомов углерода, между которыми расположены атомы других элементов.
К органическим диэлектрическим материалам можно отнести:

С развитием электротехнической промышленности параллельно развивалось изготовление диэлектрических материалов из минералов. Технология изготовления минеральных диэлектриков и их разновидностей, настолько усовершенствована, что эти диэлектрические материалы из-за дешевизны и высоких диэлектрических показателей начали оттеснять натуральные и химические диэлектрические материалы. К минеральным диэлектрическим материалам можно отнести:

стекло (конденсаторные, установочные, ламповые, щелочные, безщелочные и другие стекла.) - аморфное вещество, которое представляет собой сложную систему различных окислов. Из-за того, что в состав стекла входят такие окислы, как SiO2, CaO, Al2O3 и т.д., диэлектрические свойства стекла заметно улучшаются;

стеклоэмаль - это материал, который наносится тонким слоем на поверхность металлических и других предметов с целью защиты их от коррозии;

стекловолокно - стеклянные нити, из которых впоследствии ткут стеклянные ткани;

световоды - светопроводящий вид стекловолокна, т.е. жгут, скрученный из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стёкол разного состава;

ситаллы - кристаллы, в состав которых входят силикаты;

керамические материалы (фарфор, стеатит);

слюда (миканиты, слюдопласты, микалекс);

асбест (асбоцемент) - название группы минералов, обладающих волокнистым строением, представляющие собой волокнистую разновидность минерала хризотила - 3MgO*2SiO2*2H3O.

Из представленного краткого обзора диэлектрических материалов можно увидеть их разнообразие. Следует отметить, что, несмотря на такое большое разнообразие существующих диэлектрических материалов, они не всегда могут заменить друг друга. Во многих случаях область использования диэлектрических материалов в основном зависит от их дешевизны, удобства использования, физико-механических и других второстепенных свойств.
В некоторых случаях, к применяемым электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. .

Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, включая способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому, для различных случаев применения выбирают разные материалы.

2.Виды жидких диэлектриков

2.1Нефтяные электроизоляционные масла.

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко : во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом ( “ сухие трансформаторы ” ). Ещё одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому её гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие нефтяные (“минеральные ”) электроизоляционные масла получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определённой ( по температуре кипения ) фракции и последующей тщательной очистки от химических нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, а затем щёлочью, промывки водой и сушки.

Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до тёмно - жёлтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Трансформаторное масло - горючая жидкость. Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Незначительная примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что воды ( около 80 ) значительно выше, чем масла (чистого масла около 2,2 ). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряжённость электрического поля особенно велика и где, собственно и начинается развитие пробоя. Ещё более резко понижается электрическая прочность масла, если в нём, кроме воды содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи, легко впитывают в себя влагу из масла, причём значительно возрастает их r. Под действием сил поля увлажнённые волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; Пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают её электрическую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках ( кабели с вязкой пропиткой ) применяется масло марки КМ-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм2/c при 1000С, температурой застывания не выше минус 100С и температурой вспышки не ниже +2200С. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль или же синтетический загуститель.

В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110-220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3 - 0,4 МПа.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления ( до 1,5 МПа ) на напряжения от 110-500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200.

2.2Синтетические жидкие диэлектрики.

Нефтяные масла склонны к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряжённости. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной ёмкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением r имеются синтетические жидкие диэлектрики, по тем или иным свойствам превосходящие нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путём замены в их молекулах некоторых ( или даже всех ) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила, имеющие общий состав С12Н10-nCLn (n - степень хлорирования от 3 до 6).

Хлорированные дифенилы обладают r , повышенной по сравнению с неполярными нефтяными маслами. По этому замена масел на хлорированные дифенилы при пропитке конденсаторов уменьшает объём конденсатора ( при этой же электрической ёмкости ) почти в 2 раза. Преимуществом хлорированных дифенилов является его не горючесть. Однако хлорированные дифенилы имеют и свои недостатки. Они сильно токсичны, из-за чего применение их для пропитки конденсаторов в некоторых странах запрещено законом. На их электроизоляционные свойства весьма значительно влияют примеси, наличие которых сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре. Недостатком является также заметное снижение их r и, следовательно ёмкости пропитанных хлорированными дифенилами конденсаторов при пониженных температурах. Хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления их менее вязкими хлорированными углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают малым tg , низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабовыраженная зависимость вязкости от температуры. Эти жидкости весьма дорогие.

Фтороорганические жидкости имеют малый tg ,ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Некоторые фтороорганические жидкости могут длительно работать при температуре 2000С и выше. Пары некоторых фтороорганических жидкостей имеют высокую для газообразных диэлектриков электрическую прочность.

Сравнительно дешёвый отечественный материал (октол) представляет собой смесь полимеров изобутилена и его изомеров, имеющих общий состав С4Н8 и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти.

Значение r октола 2,0 - 2,2; tg  ( при 1кГц ) 0,0001; температура застывания минус 120С.

Канифоль - хрупкая смола, получаемая из живицы ( природной смолы сосны ) после отгонки её жидких составных частей ( скипидара ). Канифоль в основном состоит из органических кислот. Канифоль растворима в нефтяных маслах ( особенно при нагреве) и других углеводородов, растительных маслах, спирте, скипидаре и прочие.

Электроизоляционные свойства канифоли : =1012- 1013 Ом  м; ЕПР= 10 - 15 МВ/м; зависимость r и tg  от температуры характерна для полярных диэлектриков. Температура размягчения канифоли составляет 50 - 700С. На воздухе канифоль постепенно окисляется, при чём температура размягчения её повышается, а растворимость снижается.

Канифоль, растворённая в нефтяных маслах, применяется при изготовлении пропиточных и заливочных кабельных компаундов.

Растительные масла - вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений. Из этих масел особенно важны высыхающие масла, способные под воздействием нагрева, освещения, соприкосновения с кислородом воздуха и других факторов переходить в твёрдое состояние. Тонкий слой масла, налитый на поверхность какого-либо материала, высыхает и образует твёрдую, блестящую, прочно пристающую к подложке электроизоляционную плёнку. Высыхание масел является сложным химическим процессом, связанным с поглощением маслом некоторого количества кислорода из воздуха.

Скорость высыхания масел увеличивается с повышением температуры, при освещении, а также в присутствии катализаторов химических реакций высыхания - сиккативов. В качестве сиккативов используют соединения свинца, кальция, кобальта и др.

Отверждённые плёнки высыхающих масел в тяжёлых углеводородах, например в трансформаторном масле, не растворяются даже при нагреве, так что являются практически маслостойкими, но к ароматическим углеводородам, например бензолу, они менее стойки. При нагреве отверждённая плёнка не размягчается. Наиболее распространённые высыхающие масла - льняное и тунговое.

Льняное масло золотисто - жёлтого цвета получается из семян льна. Его плотность 0,93-0,94 Мг/м3, температура застывания - около -200С.

Тунговое (древесное) масло получают из семян тунгового дерева, которое разводится на Дальнем Востоке и на Кавказе. Тунговое масло не является пищевым и даже токсично. Плотность тунгового масла - 94 МГ/м3 , температура застывания - от 0 до минус 50С.

По сравнению с льняным маслом тунговое высыхает быстрее. Оно даже в толстом слое высыхает более равномерно и даёт водонепроницаемую плёнку, чем льняное. Высыхающие масла применяются в электропромышленности для изготовления электроизоляционных масляных лаков, лакотканей, для пропитки дерева и для других целей. В последнее время наблюдается тенденция к замене высыхающих масел синтетическими материалами. Невысыхающие масла могут применяться в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло получается из семян клещевины; иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов. Плотность касторового масла 0,95-0,97 МГ/м3, температура застывания от минус 10 до минус 180С ; r равно 4,0 - 4,5 при температуре 200С; tg 0,01 - 0,03, ЕПР=15-20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте.

Список используемой литературы:

Тамм И.Е. “Основы теории электричества”, Москва, издательство “Наука”, главная редакция физико-математической литературы, 1976 г.

Сивухин Д.В. “Общий курс физики. Том 3, электричество”, Москва, издательство “Наука”, главная редакция физико-математической литературы, 1977 г.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. “Электродинамика сплошных сред”, Москва, Государственное издательство физико-математической литературы, 1959 г.

Н.П. Богородицкий и др. Электротехнические материалы. Издательство , Л., 1977 г.

А.С. Зеличенко и др. Устройство и ремонт воздушных линий электропередачи и высоковольтных вводов. Издательство , М., 1985 г.

В.В. Бозуткин и др. Техника высоких напряжений. Издательство , М., 1986 г.

Читайте также: