Электрические изоляторы и диэлектрики¶
Электрический изолятор (диэлектрик) — материал или изделие, практически не проводящее электрический ток, то есть обладающее очень высоким удельным электрическим сопротивлением (обычно свыше 10⁷ Ом·м). В отличие от проводников, в диэлектриках практически отсутствуют свободные зарядные носители (электроны или ионы), поэтому под действием приложенного напряжения ток через них не протекает или составляет ничтожно малую величину — единицы пико- или микроампер на квадратный сантиметр поверхности.
¶Классификация диэлектриков
По агрегатному состоянию диэлектрики делятся на:
- Газообразные — воздух, азот, гелий, шестифтористая сера (SF₆). Практически все газы при нормальных условиях являются хорошими изоляторами, так как их молекулы не имеют свободных электронов.
- Жидкие — трансформаторное масло, дистиллированная вода, касторовое масло, силиконовые жидкости. Применяются для охлаждения и изоляции электрического оборудования.
- Твёрдые — керамика, фарфор, стекло, слюда, полиэтилен, ПВХ, резина, бумага, эбонит, лакоткань. Наиболее широко распространены в электротехнике.
По строению различают:
- Неполярные диэлектрики — молекулы которых не имеют собственного дипольного момента (полиэтилен, парафин, кварцевое стекло).
- Полярные диэлектрики — молекулы обладают постоянным дипольным моментом (фарфор, слюда, ПВХ, трансформаторное масло).
¶Принцип действия
В диэлектриках все электроны прочно связаны с атомами или молекулами. При приложении внешнего электрического поля они не могут свободно перемещаться, а лишь смещаются в пределах атома или молекулы, создавая так называемое электронное поляризационное смещение. В полярных диэлектриках дополнительно происходит ориентация молекулярных диполей по полю. В результате на поверхности диэлектрика накапливаются связанные заряды, создающие внутреннее поле, направленное против внешнего, и суммарный ток через материал практически отсутствует.
¶Основные характеристики
| Характеристика | Типичные значения |
|---|---|
| Удельное сопротивление | 10⁸…10²⁰ Ом·м |
| Электрическая прочность (пробивное напряжение) | 10…1000 кВ/см |
| Диэлектрическая проницаемость | 1,0006 (воздух) — 1000 (титанат бария) |
| Тангенс угла потерь | 0,0001…0,1 |
¶Электрический пробой
При превышении критического значения напряжения диэлектрик теряет изоляционные свойства — происходит электрический пробой. Различают:
- Тепловой пробой — вызван перегревом материала током утечки и последующим разрушением.
- Электрический пробой — ионизация молекул при очень высоком поле, образование электронной лавины.
- Ионизационный (коронный) пробой — прогрессирующая деградация изоляции под действием частичных разрядов.
¶Примеры изоляторов в технике
- Воздушная изоляция — используется в линиях электропередачи: расстояние между проводами и между проводом и землёй подобрано так, чтобы воздух оставался непроводящей средой.
- Фарфоровые и стеклянные изоляторы — применяются на опорах ЛЭП и в подстанциях для гальванической развязки токоведущих частей от опор.
- Кабельная изоляция — полиэтилен, бумага, пропитанная маслом, силиконовая резина.
- Печатные платы — стеклотекстолит, фольгированный медью.
- Провода с ПВХ-изоляцией — бытовая и промышленная электропроводка.
¶Непроводники в природе
Помимо технических диэлектриков, к материалам, не проводящим ток, относятся: сухое дерево, большинство пластмасс, керамика без металлических глазурей, сухая почва, дистиллированная вода (в отличие от водопроводной, содержащей ионы), лёд, многие органические вещества — сахар, крахмал, целлюлоза.
¶Применение
Диэлектрики применяются в электротехнике, радиоэлектронике, строительстве и повседневной жизни: изоляция проводов и кабелей, корпуса приборов, изоляторы ЛЭП, диэлектрические перчатки и инструмент для работы под напряжением, подложки микросхем, диэлектрические жидкости в конденсаторах и трансформаторах.
¶Интересные факты
- Идеального изолятора не существует: любой диэлектрик при достаточно высоком напряжении будет пробит.
- Воздух начинает проводить ток при напряжении около 3 кВ на сантиметр (при нормальном давлении).
- Сухая древесина — диэлектрик, но влажная древесина становится проводником из-за содержащихся в ней солей и воды.
Источники: Физика: учебник для вузов / Под ред. Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева; Электротехника: учебник / В. Г. Герасимов, В. А. Соломин, А. П. Шкабардня; Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона.