Dielektrik dan sifat-sifatnya, polarisasi dan kekuatan tembus dielektrik

Zat (benda) dengan konduktivitas listrik yang dapat diabaikan disebut dielektrik atau isolator.

Dielektrik atau non-konduktor mewakili kelas besar zat yang digunakan dalam teknik kelistrikan yang penting untuk tujuan praktis. Mereka berfungsi untuk mengisolasi sirkuit listrik, serta memberikan sifat khusus pada perangkat listrik, yang memungkinkan penggunaan volume dan berat bahan pembuatnya secara lebih lengkap.

Dielektrik dapat berupa zat di semua keadaan agregat: gas, cair, dan padat. Dalam praktiknya, udara, karbon dioksida, hidrogen digunakan sebagai dielektrik gas baik dalam keadaan normal maupun terkompresi.

Semua gas ini memiliki ketahanan yang hampir tak terbatas. Sifat kelistrikan gas bersifat isotropik. Dari zat cair, air murni secara kimiawi, banyak zat organik, minyak alami dan buatan (minyak transformator, burung hantu, dll.).

Dielektrik cair juga memiliki sifat isotropik.Kualitas isolasi yang tinggi dari zat-zat ini bergantung pada kemurniannya.

Misalnya, sifat isolasi minyak trafo berkurang saat uap air diserap dari udara. Yang paling banyak digunakan dalam praktik adalah dielektrik padat. Mereka termasuk zat anorganik (porselen, kuarsa, marmer, mika, kaca, dll.) Dan organik (kertas, amber, karet, berbagai bahan organik buatan).

Sebagian besar zat ini memiliki sifat listrik dan mekanik yang tinggi dan digunakan untuk isolasi peralatan listrikditujukan untuk penggunaan internal dan eksternal.

Sejumlah zat mempertahankan sifat isolasi tinggi tidak hanya pada suhu normal tetapi juga pada suhu tinggi (silikon, kuarsa, senyawa silikon silikon). Dielektrik padat dan cair memiliki sejumlah elektron bebas, oleh karena itu resistansi dielektrik yang baik adalah sekitar 1015 - 1016 ohm x m.

Dalam kondisi tertentu, pemisahan molekul menjadi ion terjadi di dielektrik (misalnya di bawah pengaruh suhu tinggi atau di medan yang kuat), dalam hal ini dielektrik kehilangan sifat isolasi dan menjadi driver.

Dielektrik memiliki sifat terpolarisasi dan keberadaan jangka panjang dimungkinkan di dalamnya. medan elektrostatik.

Ciri khas dari semua dielektrik bukan hanya resistensi yang tinggi terhadap aliran arus listrik, ditentukan oleh keberadaan sejumlah kecil di dalamnya. elektron, bergerak bebas melalui seluruh volume dielektrik, tetapi juga perubahan sifatnya di bawah aksi medan listrik, yang disebut polarisasi. Polarisasi memiliki efek besar pada medan listrik dalam dielektrik.

Salah satu contoh utama penggunaan dielektrik dalam praktik kelistrikan adalah isolasi elemen perangkat listrik dari tanah dan dari satu sama lain, yang menyebabkan penghancuran isolasi mengganggu operasi normal instalasi listrik dan menyebabkan kecelakaan.
Untuk menghindari hal ini, dalam desain mesin dan instalasi listrik, isolasi elemen individu dipilih sehingga, di satu sisi, kekuatan medan dalam dielektrik tidak melebihi kekuatan dielektriknya di mana pun, dan di sisi lain, isolasi ini dalam koneksi individu perangkat digunakan semaksimal mungkin (tidak ada kelebihan stok).
Untuk melakukan ini, Anda harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana medan listrik didistribusikan di perangkat, kemudian dengan memilih bahan yang sesuai dan ketebalannya, masalah di atas dapat diselesaikan dengan memuaskan.

Polarisasi dielektrik

Jika medan listrik dibuat dalam ruang hampa, maka besar dan arah vektor kekuatan medan pada titik tertentu hanya bergantung pada besar dan lokasi muatan yang menciptakan medan tersebut. Jika medan dibuat dalam dielektrik apa pun, maka proses fisik terjadi pada molekul yang terakhir yang memengaruhi medan listrik.

Di bawah aksi gaya medan listrik, elektron dalam orbit dipindahkan ke arah yang berlawanan dengan medan. Akibatnya, molekul yang sebelumnya netral menjadi dipol dengan muatan yang sama pada nukleus dan elektron pada orbitnya. Fenomena ini disebut polarisasi dielektrik... Saat medan menghilang, perpindahan juga menghilang. Molekul menjadi netral secara elektrik lagi.

Molekul terpolarisasi - dipol menciptakan medan listriknya sendiri, yang arahnya berlawanan dengan arah medan utama (eksternal), oleh karena itu medan tambahan, yang bergabung dengan medan utama, melemahkannya.

Semakin terpolarisasi dielektrik, semakin lemah medan yang dihasilkan, semakin rendah intensitasnya di titik mana pun untuk muatan yang sama yang menciptakan medan utama, dan oleh karena itu konstanta dielektrik dari dielektrik semacam itu lebih besar.

Jika dielektrik berada dalam medan listrik bolak-balik, perpindahan elektron juga menjadi bolak-balik. Proses ini menyebabkan peningkatan pergerakan partikel dan oleh karena itu pemanasan dielektrik.

Semakin sering medan listrik berubah, semakin banyak dielektrik memanas. Dalam praktiknya, fenomena ini digunakan untuk memanaskan bahan basah untuk mengeringkannya atau untuk mendapatkan reaksi kimia yang terjadi pada suhu tinggi.

Baca juga: Apa kerugian dielektrik karena apa yang terjadi

Dielektrik polar dan non-polar

Meskipun dielektrik praktis tidak menghantarkan listrik, namun di bawah pengaruh medan listrik, mereka mengubah sifatnya. Bergantung pada struktur molekul dan sifat pengaruh medan listrik terhadapnya, dielektrik dibagi menjadi dua jenis: non-polar dan polar (dengan polarisasi elektronik dan orientasi).

Dalam dielektrik non-polar, jika tidak dalam medan listrik, elektron berputar dalam orbit dengan pusat yang bertepatan dengan pusat nukleus. Oleh karena itu, aksi elektron ini dapat dilihat sebagai aksi muatan negatif yang terletak di tengah nukleus.Karena pusat aksi partikel bermuatan positif - proton - terkonsentrasi di pusat inti, di luar angkasa atom dianggap netral secara elektrik.

Ketika zat ini dimasukkan ke dalam medan elektrostatik, elektron dipindahkan di bawah pengaruh gaya medan, dan pusat aksi elektron dan proton tidak bertepatan. Di luar angkasa, atom dalam hal ini dianggap sebagai dipol, yaitu sebagai sistem dengan dua muatan titik berbeda yang sama -q dan + q, yang terletak satu sama lain pada jarak kecil tertentu a, sama dengan perpindahan muatan pusat orbit elektron relatif terhadap pusat inti.

Dalam sistem seperti itu, muatan positif dipindahkan ke arah kekuatan medan, muatan negatif ke arah yang berlawanan. Semakin besar kekuatan medan eksternal, semakin besar perpindahan relatif muatan di setiap molekul.

Ketika medan menghilang, elektron kembali ke keadaan gerak semula relatif terhadap inti atom dan dielektrik menjadi netral kembali. Perubahan sifat dielektrik di atas di bawah pengaruh medan disebut polarisasi elektronik.

Dalam dielektrik polar, molekulnya adalah dipol. Berada dalam gerakan termal yang kacau, momen dipol mengubah posisinya sepanjang waktu.Hal ini mengarah pada kompensasi medan dipol molekul individu dan fakta bahwa di luar dielektrik, ketika tidak ada medan eksternal, tidak ada medan makroskopis. bidang.

Ketika zat-zat ini terkena medan elektrostatik eksternal, dipol akan berputar dan memposisikan sumbunya di sepanjang medan. Pengaturan yang tertata penuh ini akan terhalang oleh gerakan termal.

Pada kekuatan medan rendah, hanya rotasi dipol yang terjadi pada sudut tertentu ke arah medan, yang ditentukan oleh keseimbangan antara aksi medan listrik dan efek gerak termal.

Dengan meningkatnya kekuatan medan, rotasi molekul dan, karenanya, tingkat polarisasi meningkat. Dalam kasus seperti itu, jarak antara muatan dipol ditentukan oleh nilai rata-rata proyeksi sumbu dipol ke arah kekuatan medan. Selain jenis polarisasi ini, yang disebut orientasi, ada juga polarisasi elektronik pada dielektrik ini yang disebabkan oleh perpindahan muatan.

Pola polarisasi yang dijelaskan di atas adalah dasar untuk semua bahan isolasi: gas, cair, dan padat. Dalam dielektrik cair dan padat, di mana jarak rata-rata antar molekul lebih kecil daripada gas, fenomena polarisasi menjadi rumit, karena selain pergeseran pusat orbit elektron relatif terhadap nukleus atau rotasi dipol kutub, juga terjadi interaksi antar molekul.

Karena dalam massa dielektrik, masing-masing atom dan molekul hanya terpolarisasi, dan tidak terurai menjadi ion bermuatan positif dan negatif, di setiap elemen volume dielektrik terpolarisasi, muatan kedua tanda adalah sama. Oleh karena itu, dielektrik sepanjang volumenya tetap netral secara elektrik.

Pengecualian adalah muatan kutub molekul yang terletak di permukaan batas dielektrik. Muatan semacam itu membentuk lapisan bermuatan tipis pada permukaan ini. Dalam media yang homogen, fenomena polarisasi dapat direpresentasikan sebagai susunan dipol yang harmonis.

Kekuatan tembus dielektrik

Dalam kondisi normal, dielektrik memiliki konduktivitas listrik diabaikan… Properti ini tetap ada sampai kekuatan medan listrik dinaikkan ke nilai batas tertentu untuk setiap dielektrik.

Dalam medan listrik yang kuat, molekul dielektrik terpecah menjadi ion, dan benda, yang merupakan dielektrik dalam medan lemah, menjadi konduktor.

Kekuatan medan listrik di mana ionisasi molekul dielektrik dimulai disebut tegangan tembus (kekuatan listrik) dielektrik.

Ini disebut besarnya kekuatan medan listrik yang diperbolehkan dalam dielektrik saat digunakan dalam instalasi listrik tegangan yang diijinkan... Tegangan yang diijinkan biasanya beberapa kali lebih kecil dari tegangan putus. Rasio tegangan tembus terhadap margin keamanan yang diizinkan ditentukan... Non-konduktor (dielektrik) terbaik adalah vakum dan gas, terutama pada tekanan tinggi.

Kegagalan dielektrik

Kerusakan terjadi secara berbeda dalam zat gas, cair dan padat dan tergantung pada sejumlah kondisi: pada homogenitas dielektrik, tekanan, suhu, kelembaban, ketebalan dielektrik, dll. Oleh karena itu, ketika menentukan nilai kekuatan dielektrik, ini kondisi biasanya disediakan.

Untuk bahan yang bekerja, misalnya di ruangan tertutup dan tidak terkena pengaruh atmosfer, kondisi normal ditetapkan (misalnya suhu + 20 ° C, tekanan 760 mm). Kelembaban juga menjadi normal, terkadang frekuensi, dll.

Gas memiliki kekuatan listrik yang relatif rendah. Jadi breakdown gradient udara pada kondisi normal adalah 30 kV/cm.Keuntungan dari gas adalah setelah kehancurannya, sifat isolasi mereka dengan cepat dipulihkan.

Dielektrik cair memiliki kekuatan listrik yang sedikit lebih tinggi. Ciri khas cairan adalah penghilangan panas yang baik dari perangkat yang dipanaskan saat arus melewati kabel. Kehadiran pengotor, khususnya air, secara signifikan mengurangi kekuatan dielektrik dielektrik cair. Dalam cairan, seperti dalam gas, sifat isolasinya dipulihkan setelah dihancurkan.

Dielektrik padat mewakili kelas bahan isolasi yang luas, baik alami maupun buatan manusia. Dielektrik ini memiliki berbagai sifat listrik dan mekanik.

Penggunaan bahan ini atau itu tergantung pada persyaratan insulasi dari instalasi yang diberikan dan kondisi operasinya. Mika, gelas, parafin, ebonit, serta berbagai bahan organik berserat dan sintetik, bakelite, getinax, dll. Mereka dicirikan oleh kekuatan listrik yang tinggi.

Jika, selain persyaratan untuk gradien kerusakan yang tinggi, persyaratan untuk kekuatan mekanik yang tinggi dikenakan pada material (misalnya, pada isolator penopang dan suspensi, untuk melindungi peralatan dari tekanan mekanis), porselen listrik banyak digunakan.

Tabel menunjukkan nilai kekuatan tembus (dalam kondisi normal dan pada konstanta nol) dari beberapa dielektrik yang paling umum.

Nilai kekuatan tembus dielektrik

Bahan Tegangan tembus, kv / mm Kertas diresapi parafin 10.0-25.0 Udara 3.0 Minyak mineral 6.0 -15.0 Marmer 3.0 — 4.0 Mikanit 15.0 — 20.0 Karton listrik 9 .0 — 14.0 Mika 80.0 — 200.0 Gelas 10.0 — 40.0 Porselen 6.0 — 7.5 Slate 1.5 — 3.0