العوازل وخصائصها ، الاستقطاب وقوة انهيار العوازل
تسمى المواد (الأجسام) ذات التوصيل الكهربائي الضعيف بالعوازل أو العوازل.
تمثل المواد العازلة أو غير الموصلة فئة كبيرة من المواد المستخدمة في الهندسة الكهربائية والتي تعتبر مهمة للأغراض العملية. إنها تعمل على عزل الدوائر الكهربائية ، فضلاً عن إعطاء خصائص خاصة للأجهزة الكهربائية ، والتي تتيح استخدامًا أكثر اكتمالاً لحجم ووزن المواد التي صنعت منها.
يمكن أن تكون المواد العازلة في جميع الحالات الكلية: غازية وسائلة وصلبة. في الممارسة العملية ، يتم استخدام الهواء وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين كعوازل غازية في كل من الحالة العادية والمضغوطة.
كل هذه الغازات لها مقاومة لانهائية تقريبًا. الخصائص الكهربائية للغازات الخواص. من المواد السائلة والمياه النقية كيميائيا والعديد من المواد العضوية والزيوت الطبيعية والاصطناعية (زيت المحولات، بومة ، إلخ).
العوازل السائلة لها خصائص الخواص أيضا.تعتمد الصفات العازلة العالية لهذه المواد على نقاوتها.
على سبيل المثال ، تقل خصائص العزل لزيت المحولات عند امتصاص الرطوبة من الهواء. الأكثر استخدامًا في الممارسة العملية هي العوازل الصلبة. وهي تشمل مواد غير عضوية (خزف ، كوارتز ، رخام ، ميكا ، زجاج ، إلخ) وعضوية (ورق ، كهرمان ، مطاط ، مواد عضوية صناعية مختلفة).
معظم هذه المواد لها خصائص كهربائية وميكانيكية عالية وتستخدم لعزل الاجهزة الكهربائيةمخصص للاستخدام الداخلي والخارجي.
يحتفظ عدد من المواد بخصائصها العازلة العالية ليس فقط في درجات الحرارة العادية ولكن أيضًا في درجات الحرارة المرتفعة (السيليكون والكوارتز ومركبات السيليكون والسيليكون). تحتوي العوازل الصلبة والسائلة على قدر معين من الإلكترونات الحرة ، وهذا هو السبب في أن مقاومة العازل الكهربائي الجيد هي حوالي 1015-1016 أوم × م.
في ظل ظروف معينة ، يحدث فصل الجزيئات إلى أيونات في المواد العازلة (على سبيل المثال ، تحت تأثير ارتفاع درجة الحرارة أو في مجال قوي) ، في هذه الحالة تفقد العوازل خصائصها العازلة وتصبح السائقين.
تتميز العوازل الكهربائية بكونها مستقطبة ومن الممكن وجودها على المدى الطويل. مجال الكهرباء الساكنة.
السمة المميزة لجميع العوازل ليست فقط المقاومة العالية لمرور التيار الكهربائي ، والتي يحددها وجود عدد قليل فيها الإلكترونات، تتحرك بحرية عبر الحجم الكامل للعزل الكهربائي ، ولكن أيضًا تغيير في خصائصها تحت تأثير المجال الكهربائي ، وهو ما يسمى الاستقطاب. الاستقطاب له تأثير كبير على المجال الكهربائي في العزل الكهربائي.
أحد الأمثلة الرئيسية لاستخدام العوازل في الممارسة الكهربائية هو عزل عناصر الأجهزة الكهربائية عن الأرض وعن بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تدمير العزل الذي يعطل التشغيل العادي للتركيبات الكهربائية ويؤدي إلى وقوع حوادث.
لتجنب ذلك ، في تصميم الآلات والتركيبات الكهربائية ، يتم اختيار عزل العناصر الفردية بحيث ، من ناحية ، لا تتجاوز قوة المجال في العوازل قوتها العازلة في أي مكان ، ومن ناحية أخرى ، هذا العزل في التوصيلات الفردية للأجهزة يتم استخدامها على أكمل وجه ممكن (لا يوجد مخزون فائض).
للقيام بذلك ، يجب أن تعرف أولاً كيف يتم توزيع المجال الكهربائي في الجهاز ، وبعد ذلك ، باختيار المواد المناسبة وسمكها ، يمكن حل المشكلة المذكورة أعلاه بشكل مرض.
استقطاب عازل
إذا تم إنشاء مجال كهربائي في فراغ ، فإن حجم واتجاه متجه شدة المجال عند نقطة معينة يعتمد فقط على حجم وموقع الشحنات التي تخلق المجال. إذا تم إنشاء المجال في أي عازل ، فإن العمليات الفيزيائية تحدث في جزيئات الأخير التي تؤثر على المجال الكهربائي.
تحت تأثير قوى المجال الكهربائي ، يتم إزاحة الإلكترونات الموجودة في المدارات في الاتجاه المعاكس للمجال. نتيجة لذلك ، تصبح الجزيئات المحايدة سابقًا ثنائيات أقطاب ذات شحنة متساوية على النواة والإلكترونات في المدارات. تسمى هذه الظاهرة الاستقطاب العازل ... عندما يختفي الحقل ، يختفي الإزاحة أيضًا. تصبح الجزيئات محايدة كهربائيًا مرة أخرى.
الجزيئات المستقطبة - تخلق ثنائيات الأقطاب مجالها الكهربائي الخاص ، ويكون اتجاهها معاكسًا لاتجاه المجال الرئيسي (الخارجي) ، وبالتالي فإن المجال الإضافي ، الذي يتحد مع الحقل الرئيسي ، يضعفه.
كلما زاد استقطاب العازل الكهربائي ، كلما كان الحقل الناتج أضعف ، قلت شدته في أي نقطة لنفس الشحنات التي تخلق المجال الرئيسي ، وبالتالي يكون ثابت العزل لمثل هذا العازل أكبر.
إذا كان العازل في مجال كهربائي متناوب ، فإن إزاحة الإلكترونات تصبح أيضًا متناوبة. تؤدي هذه العملية إلى زيادة في حركة الجسيمات وبالتالي إلى تسخين العازل.
كلما تغير المجال الكهربائي في كثير من الأحيان ، زاد ارتفاع درجة حرارة العازل. في الممارسة العملية ، تُستخدم هذه الظاهرة لتسخين المواد الرطبة لتجفيفها أو للحصول على تفاعلات كيميائية تحدث في درجات حرارة مرتفعة.
اقرأ أيضا: ما هو فقدان العزل الكهربائي بسبب ما يحدث
العوازل القطبية وغير القطبية
على الرغم من أن العوازل الكهربائية لا توصل الكهرباء عمليًا ، إلا أنها تغير خصائصها تحت تأثير المجال الكهربائي. اعتمادًا على بنية الجزيئات وطبيعة تأثير المجال الكهربائي عليها ، تنقسم العوازل إلى نوعين: غير قطبي وقطبي (مع استقطاب إلكتروني واستقطاب توجيهي).
في العوازل غير القطبية ، إن لم يكن في مجال كهربائي ، تدور الإلكترونات في مدارات بمركز يتزامن مع مركز النواة. لذلك ، يمكن اعتبار عمل هذه الإلكترونات على أنه عمل للشحنات السالبة الموجودة في مركز النواة.نظرًا لأن مراكز عمل الجسيمات المشحونة إيجابًا - البروتونات - تتركز في مركز النواة ، في الفضاء الخارجي يُنظر إلى الذرة على أنها محايدة كهربائيًا.
عندما يتم إدخال هذه المواد في المجال الكهروستاتيكي ، يتم تهجير الإلكترونات تحت تأثير قوى المجال ، ولا تتطابق مراكز عمل الإلكترونات والبروتونات. في الفضاء الخارجي ، يُنظر إلى الذرة في هذه الحالة على أنها ثنائي القطب ، أي كنظام من شحنتين نقطيتين مختلفتين متساويتين - q و + q ، تقعان عن بعضهما البعض على مسافة صغيرة معينة a ، مساوٍ لإزاحة مركز مدار الإلكترون بالنسبة لمركز النواة.
في مثل هذا النظام ، تتحول الشحنة الموجبة إلى إزاحتها في اتجاه شدة المجال ، والسالبة في الاتجاه المعاكس. كلما زادت قوة المجال الخارجي ، زاد الإزاحة النسبية للشحنات في كل جزيء.
عندما يختفي المجال ، تعود الإلكترونات إلى حالتها الأصلية من الحركة بالنسبة لنواة الذرة ويصبح العازل محايدًا مرة أخرى. يسمى التغيير أعلاه في خصائص العازل تحت تأثير مجال الاستقطاب الإلكتروني.
في العوازل القطبية ، تكون الجزيئات ثنائية القطب. نظرًا لكونه في حركة حرارية فوضوية ، فإن العزم ثنائي القطب يغير موضعه طوال الوقت. وهذا يؤدي إلى تعويض مجالات ثنائيات أقطاب الجزيئات الفردية وإلى حقيقة أنه خارج العازل الكهربائي ، عندما لا يكون هناك مجال خارجي ، لا يوجد مجال مجهري. مجال.
عندما تتعرض هذه المواد إلى مجال إلكتروستاتيكي خارجي ، فإن ثنائيات الأقطاب ستدور وتضع محاورها على طول الحقل. سيتم إعاقة هذا الترتيب المرتب بالكامل بواسطة الحركة الحرارية.
في شدة المجال المنخفضة ، يحدث دوران ثنائيات الأقطاب فقط بزاوية معينة في اتجاه المجال ، والتي يتم تحديدها من خلال التوازن بين تأثير المجال الكهربائي وتأثير الحركة الحرارية.
مع زيادة شدة المجال ، يزداد دوران الجزيئات ، وبالتالي درجة الاستقطاب. في مثل هذه الحالات ، يتم تحديد المسافة a بين الشحنات ثنائية القطب من خلال القيمة المتوسطة لإسقاطات المحاور ثنائية القطب على اتجاه شدة المجال. بالإضافة إلى هذا النوع من الاستقطاب ، والذي يسمى التوجيهي ، هناك أيضًا استقطاب إلكتروني في هذه العوازل بسبب إزاحة الشحنات.
أنماط الاستقطاب الموصوفة أعلاه أساسية لجميع المواد العازلة: الغازية والسائلة والصلبة. في العوازل السائلة والصلبة ، حيث يكون متوسط المسافات بين الجزيئات أصغر منها في الغازات ، تكون ظاهرة الاستقطاب معقدة ، لأنه بالإضافة إلى انزياح مركز مدار الإلكترون بالنسبة للنواة أو دوران القطبين القطبين ، هناك أيضًا تفاعل بين الجزيئات.
نظرًا لأنه في كتلة العازل الكهربائي ، تكون الذرات والجزيئات الفردية مستقطبة فقط ، ولا تنقسم إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة ، في كل عنصر من حجم العازل المستقطب ، تكون شحنات كلتا العلامتين متساوية. لذلك ، يظل العازل في جميع أنحاء حجمه محايدًا كهربائيًا.
الاستثناءات هي شحنات أقطاب الجزيئات الموجودة على الأسطح الحدودية للعزل الكهربائي. تشكل هذه الشحنات طبقات رقيقة مشحونة على هذه الأسطح. في وسط متجانس ، يمكن تمثيل ظاهرة الاستقطاب كترتيب متناسق لثنائيات الأقطاب.
قوة انهيار العوازل
في ظل الظروف العادية ، يكون للعازل الموصلية الكهربائية ضئيلة… تظل هذه الخاصية حتى تزداد شدة المجال الكهربائي إلى قيمة محددة معينة لكل عازل.
في مجال كهربائي قوي ، تنقسم جزيئات العازل الكهربائي إلى أيونات ، ويصبح الجسم ، الذي كان عازلًا في مجال ضعيف ، موصلًا.
تسمى قوة المجال الكهربائي الذي يبدأ عنده تأين الجزيئات العازلة بجهد الانهيار (القوة الكهربائية) للعزل الكهربائي.
يطلق عليه حجم شدة المجال الكهربائي المسموح بها في عازل عند استخدامه في التركيبات الكهربائية الجهد المسموح به ... الجهد المسموح به عادة ما يكون عدة مرات أقل من جهد الكسر. يتم تحديد نسبة جهد الانهيار إلى هامش الأمان المسموح به ... أفضل المواد غير الموصلة (العوازل) هي الفراغ والغازات ، خاصة عند الضغط العالي.
فشل عازل
يحدث الانهيار بشكل مختلف في المواد الغازية والسائلة والصلبة ويعتمد على عدد من الشروط: على تجانس العازل الكهربائي والضغط ودرجة الحرارة والرطوبة وسمك العازل وما إلى ذلك. لذلك ، عند تحديد قيمة قوة العزل ، هذه عادة ما يتم توفير الشروط.
بالنسبة للمواد التي تعمل ، على سبيل المثال ، في الغرف المغلقة وغير المعرضة للتأثيرات الجوية ، يتم تحديد الظروف العادية (على سبيل المثال ، درجة الحرارة + 20 درجة مئوية ، الضغط 760 مم). الرطوبة تطبيع أيضًا ، أحيانًا التردد ، إلخ.
الغازات لها قوة كهربائية منخفضة نسبيًا. لذا فإن تدرج انهيار الهواء في الظروف العادية هو 30 كيلو فولت / سم.ميزة الغازات هي أنه بعد تدميرها ، يتم استعادة خصائصها العازلة بسرعة.
تتمتع العوازل السائلة بقوة كهربائية أعلى قليلاً. السمة المميزة للسوائل هي الإزالة الجيدة للحرارة من الأجهزة التي يتم تسخينها عندما يمر التيار عبر الأسلاك. إن وجود الشوائب ، وخاصة الماء ، يقلل بشكل كبير من قوة العزل الكهربائي للعوازل السائلة. في السوائل ، كما هو الحال في الغازات ، يتم استعادة خصائصها العازلة بعد التدمير.
تمثل العوازل الصلبة فئة واسعة من المواد العازلة ، سواء كانت طبيعية أو من صنع الإنسان. تحتوي هذه العوازل على مجموعة متنوعة من الخواص الكهربائية والميكانيكية.
يعتمد استخدام هذه المادة أو تلك على متطلبات العزل للمنشأة المعينة وظروف عملها. الميكا ، والزجاج ، والبارافين ، والإبونيت ، وكذلك العديد من المواد العضوية الليفية والاصطناعية ، والباكليت ، والجيتيناكس ، إلخ. تتميز بقوة كهربائية عالية.
إذا تم فرض متطلبات قوة ميكانيكية عالية على المادة ، بالإضافة إلى متطلبات التدرج العالي للانهيار ، (على سبيل المثال ، في عوازل الدعم والتعليق ، لحماية المعدات من الإجهاد الميكانيكي) ، يتم استخدام الخزف الكهربائي على نطاق واسع.
يوضح الجدول قيم قوة الانهيار (في ظل الظروف العادية وعند ثابت ثابت صفر) لبعض العوازل الأكثر شيوعًا.
قيم قوة الانهيار العازل
جهد انهيار المواد ، kv / mm ورق مشرب بالبارافين 10.0-25.0 هواء 3.0 زيت معدني 6.0-15.0 رخام 3.0 - 4.0 ميكانيت 15.0 - 20.0 كرتون كهربائي 9 .0 - 14.0 ميكا 80.0 - 200.0 زجاج 10.0 - 40.0 بورسلين 6.0 - 7.5 أردوازي 1.5 - 3.0