Dielétricos e suas propriedades, polarização e força de ruptura de dielétricos

Substâncias (corpos) com condutividade elétrica desprezível são chamadas de dielétricos ou isolantes.

Dielétricos ou não condutores representam uma grande classe de substâncias usadas em engenharia elétrica que são importantes para fins práticos. Servem para isolar circuitos elétricos, bem como para conferir propriedades especiais aos aparelhos elétricos, que permitem um aproveitamento mais completo do volume e peso dos materiais de que são feitos.

Os dielétricos podem ser substâncias em todos os estados agregados: gasoso, líquido e sólido. Na prática, ar, dióxido de carbono e hidrogênio são usados ​​como dielétricos gasosos tanto no estado normal quanto no estado comprimido.

Todos esses gases têm resistência quase infinita. As propriedades elétricas dos gases são isotrópicas. De substâncias líquidas, água quimicamente pura, muitas substâncias orgânicas, óleos naturais e artificiais (óleo de transformador, coruja, etc.).

Os dielétricos líquidos também têm propriedades isotrópicas.As altas qualidades isolantes dessas substâncias dependem de sua pureza.

Por exemplo, as propriedades isolantes do óleo do transformador diminuem quando a umidade é absorvida do ar. Os mais utilizados na prática são os dielétricos sólidos. Eles incluem substâncias de origem inorgânica (porcelana, quartzo, mármore, mica, vidro, etc.) e orgânica (papel, âmbar, borracha, várias substâncias orgânicas artificiais).

A maioria dessas substâncias tem altas propriedades elétricas e mecânicas e são usadas para isolamento de aparelhos elétricosdestinados ao uso interno e externo.

Várias substâncias mantêm suas altas propriedades isolantes não apenas em temperaturas normais, mas também em temperaturas elevadas (silício, quartzo, compostos de silício e silício). Os dielétricos sólidos e líquidos têm uma certa quantidade de elétrons livres, e é por isso que a resistência de um bom dielétrico é de cerca de 1015 - 1016 ohm x m.

Sob certas condições, a separação de moléculas em íons ocorre em dielétricos (por exemplo, sob a influência de alta temperatura ou em um campo forte); nesse caso, os dielétricos perdem suas propriedades isolantes e tornam-se motoristas.

Os dielétricos têm a propriedade de serem polarizados e a existência de longo prazo é possível neles. campo eletrostático.

Uma característica distintiva de todos os dielétricos não é apenas a alta resistência à passagem da corrente elétrica, determinada pela presença neles de um pequeno número elétrons, movendo-se livremente por todo o volume do dielétrico, mas também uma mudança em suas propriedades sob a ação de um campo elétrico, que é chamado de polarização. A polarização tem um grande efeito no campo elétrico em um dielétrico.

Um dos principais exemplos do uso de dielétricos na prática elétrica é o isolamento de elementos de dispositivos elétricos do solo e uns dos outros, devido ao qual a destruição do isolamento interrompe o funcionamento normal das instalações elétricas e leva a acidentes.
Para evitar isso, no projeto de máquinas e instalações elétricas, o isolamento de elementos individuais é escolhido de forma que, por um lado, a intensidade do campo nos dielétricos não exceda sua rigidez dielétrica em nenhum lugar e, por outro lado, esse isolamento nas conexões individuais dos dispositivos é usado o máximo possível (sem excesso de estoque).
Para fazer isso, você deve primeiro saber como o campo elétrico é distribuído no dispositivo, então, escolhendo os materiais adequados e sua espessura, o problema acima pode ser resolvido satisfatoriamente.

Polarização dielétrica

Se um campo elétrico é criado no vácuo, a magnitude e a direção do vetor de intensidade do campo em um determinado ponto dependem apenas da magnitude e localização das cargas que criam o campo. Se o campo é criado em qualquer dielétrico, ocorrem processos físicos nas moléculas deste último que afetam o campo elétrico.

Sob a ação das forças do campo elétrico, os elétrons em órbitas são deslocados na direção oposta ao campo. Como resultado, moléculas anteriormente neutras tornam-se dipolos com cargas iguais no núcleo e elétrons nas órbitas. Esse fenômeno é chamado de polarização dielétrica... Quando o campo desaparece, o deslocamento também desaparece. As moléculas tornam-se eletricamente neutras novamente.

Moléculas polarizadas - os dipolos criam seu próprio campo elétrico, cuja direção é oposta à direção do campo principal (externo), portanto, o campo adicional, combinando-se com o principal, o enfraquece.

Quanto mais polarizado o dielétrico, mais fraco o campo resultante, menor sua intensidade em qualquer ponto para as mesmas cargas que criam o campo principal e, portanto, a constante dielétrica desse dielétrico é maior.

Se o dielétrico estiver em um campo elétrico alternado, o deslocamento dos elétrons também se torna alternado. Este processo leva a um aumento do movimento das partículas e, portanto, ao aquecimento do dielétrico.

Quanto mais frequentemente o campo elétrico muda, mais o dielétrico se aquece. Na prática, esse fenômeno é utilizado para aquecer materiais úmidos para secá-los ou para obter reações químicas que ocorrem em temperaturas elevadas.

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Dielétricos polares e apolares

Embora os dielétricos praticamente não conduzam eletricidade, eles mudam suas propriedades sob a influência de um campo elétrico. Dependendo da estrutura das moléculas e da natureza do efeito do campo elétrico sobre elas, os dielétricos são divididos em dois tipos: apolares e polares (com polarização eletrônica e orientacional).

Em dielétricos apolares, se não em um campo elétrico, os elétrons giram em órbitas com um centro coincidente com o centro do núcleo. Portanto, a ação desses elétrons pode ser vista como a ação de cargas negativas localizadas no centro do núcleo.Como os centros de ação das partículas carregadas positivamente — os prótons — estão concentrados no centro do núcleo, no espaço sideral o átomo é percebido como eletricamente neutro.

Quando essas substâncias são introduzidas no campo eletrostático, os elétrons são deslocados sob a influência das forças do campo e os centros de ação dos elétrons e prótons não coincidem. No espaço sideral, o átomo, neste caso, é percebido como um dipolo, ou seja, como um sistema de duas cargas pontuais iguais -q e + q, localizadas uma da outra a uma pequena distância a, igual ao deslocamento do centro da órbita do elétron em relação ao centro do núcleo.

Em tal sistema, a carga positiva acaba sendo deslocada na direção da intensidade do campo, a negativa na direção oposta. Quanto maior a força do campo externo, maior o deslocamento relativo das cargas em cada molécula.

Quando o campo desaparece, os elétrons retornam aos seus estados originais de movimento em relação ao núcleo atômico e o dielétrico torna-se neutro novamente. A mudança acima nas propriedades de um dielétrico sob a influência de um campo é chamada de polarização eletrônica.

Em dielétricos polares, as moléculas são dipolos. Estando em movimento térmico caótico, o momento dipolar muda de posição o tempo todo, o que leva à compensação dos campos dos dipolos de moléculas individuais e ao fato de que fora do dielétrico, quando não há campo externo, não há macroscópico campo.

Quando essas substâncias são expostas a um campo eletrostático externo, os dipolos giram e posicionam seus eixos ao longo do campo. Esse arranjo totalmente ordenado será prejudicado pelo movimento térmico.

Em baixa intensidade de campo, apenas a rotação dos dipolos ocorre em um determinado ângulo na direção do campo, que é determinado pelo equilíbrio entre a ação do campo elétrico e o efeito do movimento térmico.

À medida que a intensidade do campo aumenta, a rotação das moléculas e, consequentemente, o grau de polarização aumentam. Nesses casos, a distância a entre as cargas do dipolo é determinada pelo valor médio das projeções dos eixos do dipolo na direção da intensidade do campo. Além desse tipo de polarização, que é chamada de orientacional, há também uma polarização eletrônica nesses dielétricos causada pelo deslocamento de cargas.

Os padrões de polarização descritos acima são básicos para todas as substâncias isolantes: gasosas, líquidas e sólidas. Nos dielétricos líquidos e sólidos, onde as distâncias médias entre as moléculas são menores do que nos gases, o fenômeno da polarização é complicado, pois além do deslocamento do centro da órbita do elétron em relação ao núcleo ou da rotação dos dipolos polares, há também uma interação entre as moléculas.

Como na massa de um dielétrico, átomos e moléculas individuais são apenas polarizados e não se dividem em íons carregados positiva e negativamente, em cada elemento do volume de um dielétrico polarizado, as cargas de ambos os sinais são iguais. Portanto, o dielétrico em todo o seu volume permanece eletricamente neutro.

As exceções são as cargas dos pólos das moléculas localizadas nas superfícies limite do dielétrico. Essas cargas formam finas camadas carregadas nessas superfícies. Em um meio homogêneo, o fenômeno da polarização pode ser representado como um arranjo harmônico de dipolos.

A força de ruptura dos dielétricos

Em condições normais, o dielétrico tem condutividade elétrica insignificante… Esta propriedade permanece até que a intensidade do campo elétrico seja aumentada para um determinado valor limite para cada dielétrico.

Em um campo elétrico forte, as moléculas do dielétrico se dividem em íons, e o corpo, que era um dielétrico em um campo fraco, torna-se um condutor.

A força do campo elétrico na qual a ionização das moléculas dielétricas começa é chamada de tensão de ruptura (força elétrica) do dielétrico.

É chamada de magnitude da intensidade do campo elétrico permitida em um dielétrico quando é usado em instalações elétricas tensão permitida... A tensão permitida é geralmente várias vezes menor que a tensão de interrupção. A relação entre a tensão de ruptura e a margem de segurança permitida é determinada... Os melhores não condutores (dielétricos) são vácuo e gases, especialmente em alta pressão.

falha dielétrica

A degradação ocorre de maneira diferente em substâncias gasosas, líquidas e sólidas e depende de várias condições: da homogeneidade do dielétrico, pressão, temperatura, umidade, espessura do dielétrico, etc. Portanto, ao determinar o valor da rigidez dielétrica, esses condições são geralmente fornecidas.

Para materiais que trabalham, por exemplo, em salas fechadas e não expostas a influências atmosféricas, são estabelecidas condições normais (por exemplo, temperatura + 20 ° C, pressão 760 mm). A umidade também normaliza, às vezes a frequência, etc.

Os gases têm força elétrica relativamente baixa. Portanto, o gradiente de degradação do ar em condições normais é de 30 kV / cm.A vantagem dos gases é que, após sua destruição, suas propriedades isolantes são rapidamente restauradas.

Os dielétricos líquidos têm uma força elétrica ligeiramente maior. Uma característica distintiva dos líquidos é a boa remoção de calor dos dispositivos que são aquecidos quando a corrente passa pelos fios. A presença de impurezas, em particular água, reduz significativamente a rigidez dielétrica dos dielétricos líquidos. Nos líquidos, como nos gases, suas propriedades isolantes são restauradas após a destruição.

Os dielétricos sólidos representam uma ampla classe de materiais isolantes, tanto naturais quanto artificiais. Esses dielétricos têm uma ampla variedade de propriedades elétricas e mecânicas.

A utilização deste ou daquele material depende dos requisitos de isolamento da instalação em causa e das condições do seu funcionamento. Mica, vidro, parafina, ebonite, bem como várias substâncias orgânicas fibrosas e sintéticas, baquelite, getinax, etc. Eles são caracterizados por alta resistência elétrica.

Se, além da exigência de alto gradiente de desagregação, for imposta ao material a exigência de alta resistência mecânica (por exemplo, em isoladores de sustentação e suspensão, para proteger equipamentos de esforços mecânicos), a porcelana elétrica é amplamente utilizada.

A tabela mostra os valores de resistência à ruptura (sob condições normais e em um zero constante constante) de alguns dos dielétricos mais comuns.

Valores de força de ruptura dielétrica

Tensão de decomposição do material, kv / mm Papel impregnado com parafina 10,0-25,0 Ar 3,0 Óleo mineral 6,0 -15,0 Mármore 3,0 — 4,0 Mikanita 15,0 — 20,0 Cartão elétrico 9,0 — 14,0 Mica 80,0 — 200,0 Vidro 10,0 — 40,0 Porcelana 6,0 — 7,5 Ardósia 1. 5 - 3,0