Was sind Dielektrika und wo werden sie eingesetzt? Was sind Dielektrika in der Physik? Dielektrische Eigenschaften
Alle flüssigen und festen Stoffe werden je nach Art der Einwirkung des elektrostatischen Feldes auf sie in Leiter, Halbleiter und unterteilt Dielektrika.
Dielektrika (Isolatoren)– Stoffe, die den Strom schlecht oder gar nicht leiten. Zu den Dielektrika zählen Luft, einige Gase, Glas, Kunststoffe, verschiedene Harze und viele Arten von Gummi.
Wenn Sie neutrale Körper aus Materialien wie Glas oder Ebonit in ein elektrisches Feld legen, können Sie deren Anziehung sowohl zu positiv als auch zu negativ geladenen Körpern beobachten, allerdings viel schwächer. Wenn solche Körper jedoch in einem elektrischen Feld getrennt werden, erweisen sich ihre Teile als neutral, wie der gesamte Körper als Ganzes.
Somit, in solchen Körpern gibt es keine freien elektrisch geladenen Teilchen, fähig, sich unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes im Körper zu bewegen. Als Stoffe werden Stoffe bezeichnet, die keine freien elektrisch geladenen Teilchen enthalten Dielektrika oder Isolatoren.
Die Anziehung ungeladener dielektrischer Körper zu geladenen Körpern erklärt sich aus ihrer Fähigkeit dazu Polarisation.
Polarisation– das Phänomen der Verschiebung gebundener elektrischer Ladungen innerhalb von Atomen, Molekülen oder Kristallen unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes. Am einfachsten Beispiel für Polarisierung– die Einwirkung eines externen elektrischen Feldes auf ein neutrales Atom. In einem äußeren elektrischen Feld ist die Kraft, die auf die negativ geladene Schale wirkt, entgegengesetzt zur Kraft, die auf den positiven Kern wirkt. Unter dem Einfluss dieser Kräfte verschiebt sich die Elektronenhülle leicht gegenüber dem Kern und verformt sich. Das Atom bleibt im Allgemeinen neutral, aber die Zentren positiver und negativer Ladung fallen darin nicht mehr zusammen. Ein solches Atom kann als ein System aus zwei Punktladungen gleicher Größe mit entgegengesetztem Vorzeichen betrachtet werden, das als Dipol bezeichnet wird. 
Wenn Sie eine dielektrische Platte zwischen zwei Metallplatten mit entgegengesetzten Ladungen platzieren, stellen sich heraus, dass alle Dipole im Dielektrikum unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes positive Ladungen zur negativen Platte und negative Ladungen zur positiv geladenen Platte zeigen. Die dielektrische Platte bleibt im Allgemeinen neutral, aber seine Oberflächen sind mit gebundenen Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens bedeckt.
In einem elektrischen Feld erzeugen Polarisationsladungen auf der Oberfläche des Dielektrikums ein elektrisches Feld in entgegengesetzter Richtung zum äußeren elektrischen Feld. Dadurch nimmt die elektrische Feldstärke im Dielektrikum ab, wird aber nicht Null.
Das Verhältnis des Intensitätsmoduls E 0 des elektrischen Feldes im Vakuum zum Intensitätsmodul E des elektrischen Feldes in einem homogenen Dielektrikum wird genannt Dielektrizitätskonstante ɛ des Stoffes:
ɛ = E 0 / E
Wenn zwei elektrische Punktladungen in einem Medium mit der Dielektrizitätskonstante ɛ interagieren, nimmt infolge einer Abnahme der Feldstärke um das ɛ-fache auch die Coulomb-Kraft um das ɛ-fache ab:
F e = k (q 1 q 2 / ɛr 2)
Dielektrika sind in der Lage, ein äußeres elektrisches Feld zu schwächen. Diese Eigenschaft wird in Kondensatoren genutzt.
Kondensatoren- Dies sind elektrische Geräte zur Speicherung elektrischer Ladungen. Der einfachste Kondensator besteht aus zwei parallelen Metallplatten, die durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Beim Aufbringen von Ladungen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen auf Platten +q und –q Zwischen den Platten entsteht ein elektrisches Feld mit einer bestimmten Intensität E. Außerhalb der Platten kompensiert sich die Wirkung der in entgegengesetzt geladenen Platten gerichteten elektrischen Felder gegenseitig, die Feldstärke ist Null. Stromspannung U zwischen den Platten ist direkt proportional zur Ladung auf einer Platte, also dem Ladungsverhältnis Q auf Spannung U
C=q/U
ist ein konstanter Wert für den Kondensator bei jedem Ladungswert Q. Es ist eine Einstellung MIT wird die Kapazität des Kondensators genannt.
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DIELEKTRIK, Stoffe, die Elektrizität schlecht leiten. Der Begriff „Dielektrikum“ wurde von M. Faraday eingeführt, um Stoffe zu bezeichnen, in die ein elektrostatisches Feld eindringt. Wenn Elektronen und Atomkerne in ein elektrisches Feld einer beliebigen Substanz gebracht werden, erfahren sie Kräfte aus diesem Feld. Dadurch bewegen sich einige Ladungen in eine bestimmte Richtung und es entsteht ein elektrischer Strom. Die verbleibenden Ladungen werden neu verteilt, sodass sich die „Schwerpunkte“ positiver und negativer Ladungen relativ zueinander verschieben. Im letzteren Fall spricht man von einer Polarisation der Substanz. Je nachdem, welcher dieser beiden Prozesse (Polarisation oder elektrische Leitfähigkeit) vorherrscht, werden Stoffe in Dielektrika (alle nichtionisierten Gase, einige Flüssigkeiten und Feststoffe) und Leiter (Metalle, Elektrolyte, Plasma) unterteilt.
Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika ist im Vergleich zu Metallen sehr gering. Der elektrische Widerstand von Dielektrika beträgt 10 8 -10 17 Ohm cm, Metalle - 10 -6 -10 -4 Ohm cm.
Die klassische Physik versuchte den quantitativen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit von Dielektrika und Metallen dadurch zu erklären, dass in Metallen freie Elektronen vorhanden sind, während in Dielektrika alle Elektronen gebunden sind (zu einzelnen Atomen gehören) und das elektrische Feld sie nicht abreißt , verdrängt sie aber nur geringfügig.
Die Quantentheorie der Festkörper erklärt den Unterschied in den elektrischen Eigenschaften von Metallen und Dielektrika durch die unterschiedliche Verteilung der Elektronen über die Energieniveaus. In Dielektrika fällt das mit Elektronen gefüllte obere Energieniveau mit der oberen Grenze eines der erlaubten Bänder zusammen (in Metallen liegt es innerhalb des erlaubten Bandes), und die nächstgelegenen freien Niveaus sind von denen, die durch ein verbotenes Band gefüllt sind, getrennt, das Elektronen nicht erreichen können unter dem Einfluss nicht zu starker elektrischer Felder überwunden werden (siehe Bandtheorie). Die Wirkung des elektrischen Feldes reduziert sich auf die Umverteilung der Elektronendichte, was zu einer Polarisation des Dielektrikums führt.
Polarisation von Dielektrika. Die Polarisationsmechanismen von Dielektrika hängen von der Art der chemischen Bindung ab, d. h. von der Verteilung der Elektronendichte in Dielektrika. In Ionenkristallen (z. B. NaCl) ist die Polarisation das Ergebnis einer Verschiebung von Ionen relativ zueinander (ionische Polarisation) sowie einer Verformung der elektronischen Hüllen einzelner Ionen (elektronische Polarisation), d. h. der Summe der Ionen und elektronische Polarisationen. In Kristallen mit kovalenten Bindungen (z. B. Diamant), in denen die Elektronendichte gleichmäßig zwischen den Atomen verteilt ist, ist die Polarisation hauptsächlich auf die Verschiebung der Elektronen zurückzuführen, die die chemische Bindung herstellen. In sogenannten polaren Dielektrika (z. B. festem H 2 S) stellen Atomgruppen elektrische Dipole dar, die in Abwesenheit eines elektrischen Feldes zufällig ausgerichtet sind und im Feld eine Vorzugsorientierung annehmen. Diese Orientierungspolarisation ist typisch für viele Flüssigkeiten und Gase. Ein ähnlicher Polarisationsmechanismus ist mit einem „Sprung“ einzelner Ionen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes von einer Gleichgewichtsposition im Gitter zu einer anderen verbunden. Besonders häufig wird dieser Mechanismus bei Stoffen mit Wasserstoffbrückenbindungen (z. B. Eis) beobachtet, bei denen Wasserstoffatome mehrere Gleichgewichtspositionen haben.
Die Polarisation von Dielektrika wird durch den Polarisationsvektor P charakterisiert, der das elektrische Dipolmoment pro Volumeneinheit des Dielektrikums darstellt:
wobei p i die Dipolmomente der Teilchen (Atome, Ionen, Moleküle) sind und N die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit ist. Der Vektor P hängt von der elektrischen Feldstärke E ab. In schwachen Feldern ist Ρ = ε 0 ϰΕ. Der Proportionalitätskoeffizient ϰ wird als dielektrische Suszeptibilität bezeichnet. Anstelle des Vektors P wird häufig der Vektor der elektrischen Induktion verwendet (1)
wobei ε die Dielektrizitätskonstante und ε 0 die elektrische Konstante ist. Die Größen ϰ und ε sind die Haupteigenschaften des Dielektrikums. In anisotropen Dielektrika (z. B. in nichtkubischen Kristallen) wird die Richtung P nicht nur durch die Richtung des Feldes E, sondern auch durch die Richtung der Symmetrieachsen des Kristalls bestimmt. Daher bildet der Vektor P je nach Ausrichtung von E in Bezug auf die Symmetrieachsen des Kristalls unterschiedliche Winkel mit dem Vektor E. In diesem Fall wird der Vektor D durch den Vektor E bestimmt, wobei nicht ein Wert ε verwendet wird, sondern mehrere (im allgemeinen Fall sechs), die den Tensor der Dielektrizitätskonstante bilden.
Dielektrika im Wechselfeld. Wenn sich das Feld E mit der Zeit t ändert, hat die Polarisation des Dielektrikums keine Zeit, ihm zu folgen, da Ladungsverschiebungen nicht sofort auftreten können. Da jedes Wechselfeld als eine Reihe von Feldern dargestellt werden kann, die sich nach einem harmonischen Gesetz ändern, reicht es aus, das Verhalten eines Dielektrikums im Feld E = E 0 sinωt zu untersuchen, wobei ω die Frequenz des Wechselfelds E 0 ist ist die Amplitude der Feldstärke. Unter dem Einfluss dieses Feldes schwingen auch D und P harmonisch und mit der gleichen Frequenz. Zwischen den Schwingungen von P und E tritt jedoch eine Phasendifferenz δ auf, die durch die Verzögerung der Polarisation P gegenüber dem Feld E verursacht wird. Das harmonische Gesetz kann in der komplexen Form E = E 0 e iωt dargestellt werden, dann D = D 0 e iωt und D 0 = ε(ω) Ε 0. Die Dielektrizitätskonstante ist in diesem Fall eine komplexe Größe: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ und ε’’ hängen von der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes ω ab. Absoluter Wert
bestimmt die Amplitude der Schwingung D, und das Verhältnis ε'/ε" = tanδ ist die Phasendifferenz zwischen den Schwingungen D und E. Der Wert δ wird als dielektrischer Verlustwinkel bezeichnet. In einem konstanten elektrischen Feld ω = 0, ε" = 0 , ε' = ε.
In elektrischen Wechselfeldern hoher Frequenz werden die Eigenschaften des Dielektrikums durch den Brechungsindex n und den Absorptionsindex k (anstelle von ε' und ε") charakterisiert. Der erste ist gleich dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten elektromagnetischer Wellen in im Dielektrikum und im Vakuum. Der Absorptionsindex k charakterisiert die Dämpfung elektromagnetischer Wellen im Dielektrikum. Die Werte n, k, ε' und ε" hängen durch die Beziehung (2) zusammen.
Polarisation von Dielektrika ohne elektrisches Feld. Bei einer Reihe fester Dielektrika (Pyroelektrika, Ferroelektrika, Piezoelektrika, Elektrete) kann Polarisation auch ohne elektrisches Feld vorliegen, also aus anderen Gründen verursacht werden. So sind in der Pyroelektrizität die Ladungen so asymmetrisch angeordnet, dass die Schwerpunkte der Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen nicht zusammenfallen, d. h. das Dielektrikum ist spontan polarisiert. Die Polarisation in Pyroelektrika tritt jedoch nur dann auf, wenn sich die Temperatur ändert, wenn die elektrischen Ladungen, die die Polarisation kompensieren, keine Zeit haben, sich neu anzuordnen. Eine Art Pyroelektrika sind Ferroelektrika, deren spontane Polarisation sich unter dem Einfluss äußerer Einflüsse (Temperatur, elektrisches Feld) erheblich ändern kann. Bei Piezoelektrika kommt es zu einer Polarisation, wenn sich der Kristall verformt, was mit den Merkmalen ihrer Kristallstruktur zusammenhängt. Polarisation in Abwesenheit eines Feldes kann auch bei bestimmten Substanzen wie Harzen und Gläsern, sogenannten Elektreten, beobachtet werden.
Die elektrische Leitfähigkeit von Dielektrika ist gering, aber immer von Null verschieden. Bewegliche Ladungsträger in Dielektrika können Elektronen und Ionen sein. Unter normalen Bedingungen ist die elektronische Leitfähigkeit von Dielektrika im Vergleich zur ionischen Leitfähigkeit gering. Die Ionenleitfähigkeit kann durch die Bewegung sowohl intrinsischer Ionen als auch von Fremdionen verursacht werden. Die Möglichkeit, dass sich Ionen über einen Kristall bewegen, hängt mit dem Vorhandensein von Defekten in den Kristallen zusammen. Wenn beispielsweise in einem Kristall eine Lücke vorhanden ist, kann unter dem Einfluss eines Feldes ein benachbartes Ion diese besetzen, das nächste Ion kann in die neu gebildete Lücke wandern usw. Dadurch kommt es zur Bewegung von Lücken. Dies führt zu einem Ladungstransfer durch den gesamten Kristall. Die Bewegung von Ionen erfolgt auch durch ihre Sprünge entlang der Zwischenräume. Mit steigender Temperatur nimmt die Ionenleitfähigkeit zu. Die Oberflächenleitfähigkeit kann einen spürbaren Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit eines Dielektrikums leisten (siehe Oberflächenphänomene).
Zusammenbruch von Dielektrika. Die elektrische Stromdichte j durch das Dielektrikum ist proportional zur elektrischen Feldstärke E (Ohmsches Gesetz): j = ςE, wobei ς die elektrische Leitfähigkeit des Dielektrikums ist. Bei ausreichend starken Feldern steigt der Strom jedoch schneller an als nach dem Ohmschen Gesetz. Bei einem bestimmten kritischen Wert von E pr kommt es zum elektrischen Durchschlag des Dielektrikums. Der Wert E pr wird als Spannungsfestigkeit des Dielektrikums bezeichnet. Bei einem Ausfall fließt fast der gesamte Strom durch einen schmalen Kanal (siehe Stromkabel). In diesem Kanal erreicht j große Werte, die zur Zerstörung des Dielektrikums führen können: Es entsteht ein Durchgangsloch oder das Dielektrikum wird durch den Kanal hindurch geschmolzen. Im Kanal kann es zu chemischen Reaktionen kommen; Beispielsweise lagert sich Kohlenstoff in organischen Dielektrika ab, Metall lagert sich in Ionenkristallen ab (Kanalmetallisierung) usw. Der Abbau wird durch immer vorhandene Inhomogenitäten im Dielektrikum begünstigt, da an Stellen von Inhomogenitäten das Feld E lokal ansteigen kann.
Bei festen Dielektrika werden thermische und elektrische Durchschläge unterschieden. Während des thermischen Durchbruchs erhöht sich mit zunehmendem j die im Dielektrikum freigesetzte Wärmemenge und folglich die Temperatur des Dielektrikums, was zu einer Erhöhung der Anzahl der Ladungsträger n und einer Verringerung des elektrischen Widerstands ρ führt. Beim elektrischen Durchschlag nimmt mit zunehmendem Feld die Erzeugung von Ladungsträgern unter dem Einfluss des Feldes zu und auch ρ nimmt ab.
Die Spannungsfestigkeit flüssiger Dielektrika hängt stark von der Reinheit der Flüssigkeit ab. Das Vorhandensein von Verunreinigungen und Verunreinigungen verringert Epr erheblich. Bei reinen homogenen flüssigen Dielektrika liegt Epr nahe am Epr fester Dielektrika. Der Zerfall eines Gases ist mit Stoßionisation verbunden und äußert sich in Form einer elektrischen Entladung.
Nichtlineare Eigenschaften von Dielektrika. Die lineare Abhängigkeit P = ε 0 ϰE gilt nur für Felder E, die deutlich niedriger sind als die intrakristallinen Felder E cr (E cr in der Größenordnung von 10 8 V/cm). Weil E pr<< Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).
Anwendung von Dielektrika. Dielektrika werden hauptsächlich als elektrische Isoliermaterialien verwendet. Piezoelektrika werden verwendet, um mechanische Signale (Verschiebungen, Verformungen, Schallschwingungen) in elektrische und umgekehrt umzuwandeln (siehe Piezoelektrischer Wandler); Pyroelektrika – als thermische Detektoren verschiedener Strahlungen, insbesondere IR-Strahlung; Ferroelektrika, zu denen auch Piezoelektrika und Pyroelektrika gehören, werden (aufgrund ihrer hohen Dielektrizitätskonstante) auch als Kondensatormaterialien sowie als nichtlineare Elemente und Speicherelemente in einer Vielzahl von Geräten verwendet. Die meisten optischen Materialien sind Dielektrika.
Lit.: Frelikh G. Theorie der Dielektrika. M., 1960; Hippel A.R. Dielektrika und Wellen. M., 1960; Feynman R., Layton R., Sands M. Feynman hält Vorlesungen über Physik. M., 1966. Ausgabe. 5: Elektrizität und Magnetismus; Kalaschnikow S.G. Elektrizität. 5. Aufl. M., 1985.
A. P. Levanyuk, D. G. Sannikov.
Um zu bestimmen, was Dielektrika in der Physik sind, erinnern wir uns daran, dass die wichtigste Eigenschaft eines Dielektrikums die Polarisation ist. In jeder Substanz bewegen sich freie Ladungen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, in diesem Fall entsteht ein elektrischer Strom, und gebundene Ladungen werden polarisiert. Abhängig davon, welche Ladungen (frei oder gebunden) überwiegen, werden Stoffe in Leiter und Dielektrika unterteilt. In Dielektrika erfolgt die Polarisation hauptsächlich unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes. Wenn Sie einen Leiter in einem elektrischen Feld durchtrennen, können Sie Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens trennen. Dies ist mit Polarisationsladungen eines Dielektrikums nicht möglich. In metallischen Leitern können sich freie Ladungen über große Entfernungen bewegen, während sich in Dielektrika positive und negative Ladungen innerhalb eines einzelnen Moleküls bewegen. Bei Dielektrika ist das Energieband vollständig gefüllt.
Wenn kein äußeres Feld vorhanden ist, verteilen sich Ladungen mit unterschiedlichem Vorzeichen gleichmäßig über das gesamte Volumen des Dielektrikums. In Gegenwart eines äußeren elektrischen Feldes werden die in das Molekül eindringenden Ladungen in entgegengesetzte Richtungen verschoben. Diese Verschiebung äußert sich durch das Auftreten einer Ladung auf der Oberfläche des Dielektrikums, wenn es in ein externes elektrisches Feld gebracht wird – das ist das Phänomen der Polarisation.
Die Polarisation hängt von der Art des Dielektrikums ab. So entsteht in Ionenkristallen die Polarisation hauptsächlich durch die Verschiebung von Ionen in einem elektrischen Feld und nur geringfügig durch die Verformung der Elektronenatomhüllen. Während bei Diamant, der eine kovalente chemische Bindung aufweist, die Polarisation aufgrund der Verformung der Elektronenatomhüllen in einem elektrischen Feld auftritt.
Ein Dielektrikum heißt polar, wenn seine Moleküle ein eigenes elektrisches Dipolmoment besitzen. In solchen Dielektrika sind die elektrischen Dipolmomente bei Vorhandensein eines externen elektrischen Feldes entlang des Feldes ausgerichtet.
Die Polarisation des Dielektrikums wird anhand des Polarisationsvektors bestimmt. Dieser Wert entspricht der Summe der elektrischen Dipolmomente aller Moleküle in einer Volumeneinheit der Substanz. Wenn das Dielektrikum isotrop ist, gilt die Gleichung:
wo ist die elektrische Konstante; — dielektrische Empfindlichkeit des Stoffes. Die dielektrische Suszeptibilität einer Substanz hängt mit der Dielektrizitätskonstante zusammen:
wobei — die Schwächung des äußeren elektrischen Feldes im Dielektrikum aufgrund der Anwesenheit von Polarisationsladungen charakterisiert. Polare Dielektrika haben die größten Werte. Also für Wasser =81.
Bei manchen Dielektrika erfolgt die Polarisation nicht nur in einem äußeren elektrischen Feld, sondern auch unter mechanischer Belastung. Diese Dielektrika werden Piezoelektrika genannt.
Dielektrika haben einen viel höheren elektrischen Widerstand als Leiter. Sie liegt im Bereich: Ohm/cm. Daher werden Dielektrika zur Isolierung elektrischer Geräte verwendet. Eine wichtige Anwendung von Dielektrika ist ihre Verwendung in elektrischen Kondensatoren.
Klassifizierung nach Molekülstruktur
Klassifizierung nach chemischer Zusammensetzung
Klassifizierung nach Produktionsmethode
Klassifizierung nach Aggregatzustand
Aktive und passive Dielektrika
Definition dielektrischer Materialien
Klassifizierung und Einsatzgebiete dielektrischer Materialien
Dielektrika sind Stoffe, deren wichtigste elektrische Eigenschaft die Fähigkeit zur Polarisation in einem elektrischen Feld ist.
Elektroisolierstoffe sind dielektrische Stoffe, die zur elektrischen Isolierung stromführender Teile elektrischer Anlagen bestimmt sind.
Ein Isolator ist ein Produkt aus elektrisch isolierendem Material, dessen Zweck darin besteht, Leiter auf unterschiedlichen Potentialen zu befestigen und voneinander zu isolieren (z. B. Isolatoren von Freileitungen).
Elektrische Isolierung ist das elektrische Isoliersystem eines bestimmten elektrischen Produkts, das aus einem oder mehreren elektrisch isolierenden Materialien besteht.
Dielektrika, die als elektrische Isoliermaterialien verwendet werden, werden passive Dielektrika genannt. Derzeit sind sogenannte aktive Dielektrika weit verbreitet, deren Parameter durch Änderung der elektrischen Feldstärke, der Temperatur, der mechanischen Belastung und anderer Parameter der sie beeinflussenden Faktoren angepasst werden können.
Beispielsweise ändert ein Kondensator, dessen dielektrisches Material ein Piezoelektrikum ist, unter dem Einfluss einer angelegten Wechselspannung seine linearen Abmessungen und wird zum Generator von Ultraschallschwingungen. Die Kapazität eines elektrischen Kondensators aus einem nichtlinearen Dielektrikum – Ferroelektrikum – variiert je nach elektrischer Feldstärke; Wenn eine solche Kapazität in einen oszillierenden LC-Kreis einbezogen wird, ändert sich auch ihre Abstimmfrequenz.
Dielektrische Materialien werden klassifiziert:
Nach Aggregatzustand: gasförmig, flüssig und fest;
Nach Herstellungsverfahren: natürlich und synthetisch;
Nach chemischer Zusammensetzung: organisch und anorganisch;
Entsprechend der Struktur der Moleküle: neutral und polar.
GASFÖRMIGE DIELEKTRIK
Zu den gasförmigen Dielektrika gehören: Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, SF6-Gas, Freon (Freon), Argon, Neon, Helium usw. Sie werden bei der Herstellung elektrischer Geräte (Luft- und SF6-Gasschalter, Ableiter) verwendet.
Luft ist das am häufigsten verwendete elektrische Isoliermaterial. Luft enthält: Wasserdampf und Gase: Stickstoff (78 %), Sauerstoff (20,99 %), Kohlendioxid (0,03 %), Wasserstoff (0,01 %), Argon (0,9325 %), Neon (0,0018 %), sowie Helium, Krypton und Xenon, die insgesamt zehntausendstel Volumenprozent ausmachen.
Wichtige Eigenschaften von Gasen sind ihre Fähigkeit zur Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante, hoher spezifischer Widerstand, praktisch keine Alterung, Inertheit einer Reihe von Gasen gegenüber festen und flüssigen Materialien, Ungiftigkeit, ihre Fähigkeit, bei niedrigen und hohen Temperaturen zu arbeiten Druck und Nichtbrennbarkeit.
FLÜSSIGE DIELEKTRIK
Flüssige Dielektrika dienen dazu, Wärme von Wicklungen und Magnetkreisen in Transformatoren abzuleiten, Lichtbögen in Ölschaltern zu löschen, die Feststoffisolierung in Transformatoren, ölgefüllten Durchführungen, Kondensatoren sowie ölimprägnierten und ölgefüllten Kabeln zu verstärken.
Flüssige Dielektrika werden in zwei Gruppen eingeteilt:
Erdöle (Transformatoren, Kondensatoren, Kabel);
Synthetische Öle (Sovtol, flüssige Organosilicium- und Organofluorverbindungen).
4.1.7 Einsatzgebiete von Dielektrika als ETM
Anwendung in der Elektrizitätsindustrie:
- Isolierung von Leitungen und Umspannwerken- Dies sind Porzellan, Glas und Silikonkautschuk in Freileitungsisolatoren, Porzellan in Stütz- und Durchführungsisolatoren, Glasfaser als tragende Elemente, Polyethylen, Papier in Hochspannungsdurchführungen, Papier, Polymere in Stromkabeln;
- Isolierung elektrischer Geräte- Papier, Getinax, Glasfaser, Polymere, Glimmermaterialien;
- Maschinen, Geräte- Papier, Pappe, Lacke, Verbindungen, Polymere;
- verschiedene Arten von Kondensatoren- Polymerfilme, Papier, Oxide, Nitride.
Aus praktischer Sicht sollten bei der Auswahl eines elektrischen Isoliermaterials in jedem Fall die Betriebsbedingungen analysiert und das Isoliermaterial entsprechend einer Reihe von Anforderungen ausgewählt werden. Zur Orientierung empfiehlt es sich, die wichtigsten dielektrischen Materialien entsprechend den Einsatzbedingungen in Gruppen einzuteilen.
1. Hitzebeständige elektrische Isolierung. Dabei handelt es sich in erster Linie um Produkte aus Glimmermaterialien, die zum Teil bis zu Temperaturen von 700 °C betrieben werden können. Glas und darauf basierende Materialien (Glasgewebe, Glasglimmer). Organosilikat- und Metallphosphatbeschichtungen. Keramische Werkstoffe, insbesondere Bornitrid. Organosiliciumzusammensetzungen mit einem hitzebeständigen Bindemittel. Von den Polymeren weisen Polyimid und Fluorkunststoff eine hohe Hitzebeständigkeit auf.
2. Feuchtigkeitsbeständige elektrische Isolierung. Diese Materialien müssen hydrophob (nicht durch Wasser benetzbar) und nicht hygroskopisch sein. Ein prominenter Vertreter dieser Klasse ist Fluorkunststoff. Grundsätzlich ist eine Hydrophobierung durch die Erzeugung von Schutzschichten möglich.
3. Strahlungsbeständige Isolierung. Dies sind vor allem anorganische Filme, Keramik, Glasfaser, Glimmermaterialien und einige Arten von Polymeren (Polyimide, Polyethylen).
4. Tropenbeständige Isolierung. Das Material muss hydrophob sein, um unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur funktionieren zu können. Darüber hinaus muss es resistent gegen Schimmelpilze sein. Die besten Materialien: Fluorkunststoff, einige andere Polymere, die schlechtesten - Papier, Pappe.
5. Frostbeständige Isolierung. Diese Anforderung ist vor allem für Gummi typisch, weil Wenn die Temperatur sinkt, verlieren alle Gummis ihre Elastizität. Organosiliciumkautschuk mit Phenylgruppen ist am frostbeständigsten (bis -90° C).
6. Isolierung für Arbeiten im Vakuum (Weltraum, Vakuumgeräte). Für diese Bedingungen ist es notwendig, vakuumdichte Materialien zu verwenden. Einige speziell hergestellte Keramikmaterialien sind geeignet; Polymere sind von geringem Nutzen.
Elektrokarton Wird als dielektrischer Abstandshalter, Unterlegscheibe, Abstandshalter, als Isolierung von Magnetkreisen, Nutisolierung rotierender Maschinen usw. verwendet. Karton wird üblicherweise nach Imprägnierung mit Transformatorenöl verwendet. Die elektrische Festigkeit von imprägniertem Karton erreicht 40–50 kV/mm. Da es höher ist als die Festigkeit von Transformatorenöl, werden zur Erhöhung der elektrischen Festigkeit von Transformatoren häufig spezielle Barrieren aus Pappe in der Ölumgebung installiert. Ölbarriereisolierungen haben üblicherweise eine Festigkeit von E = 300–400 kV/cm. Der Nachteil von Karton ist seine Hygroskopizität; durch das Eindringen von Feuchtigkeit nimmt die mechanische Festigkeit ab und die elektrische Festigkeit nimmt stark ab (um das Vierfache oder mehr).
Neuerdings basiert die Produktion von Isolatoren für Freileitungen auf Silikon-Gummi. Dieses Material gehört zu den Gummis, deren Haupteigenschaft die Elastizität ist. Dadurch ist es möglich, nicht nur Isolatoren aus Gummi, sondern auch flexible Kabel herzustellen. Im Energiesektor werden verschiedene Arten von Kautschuken verwendet: Naturkautschuke, Butadienkautschuke, Styrol-Butadien-Kautschuke, Ethylen-Propylen-Kautschuke und Organosiliciumkautschuke.
Elektrisches Porzellan ist ein künstliches Mineral, das durch Wärmebehandlung mittels Keramiktechnologie aus Tonmineralien, Feldspat und Quarz entsteht. Zu seinen wertvollsten Eigenschaften zählen eine hohe Beständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse, positive und negative Temperaturen, gegen die Einwirkung chemischer Reagenzien, eine hohe mechanische und elektrische Festigkeit sowie niedrige Kosten für Ausgangskomponenten. Dies führte zur weit verbreiteten Verwendung von Porzellan zur Herstellung von Isolatoren.
Elektrisches Glas Als Material für Isolatoren hat es einige Vorteile gegenüber Porzellan. Es verfügt insbesondere über eine stabilere Rohstoffbasis, eine einfachere Technologie, die eine stärkere Automatisierung ermöglicht, und die Möglichkeit, fehlerhafte Isolatoren visuell zu überwachen.
Glimmer ist die Basis einer großen Gruppe elektrischer Isolierprodukte. Der Hauptvorteil von Glimmer ist seine hohe Hitzebeständigkeit bei gleichzeitig recht hohen elektrischen Isoliereigenschaften. Glimmer ist ein natürliches Mineral mit komplexer Zusammensetzung. In der Elektrotechnik werden zwei Arten von Glimmer verwendet: Muskovit KAl 2 (AlSi 3 O 10)(OH) 2 und Phlogopit KMg 3 (AlSi 3 O 10 (OH) 2. Die hohen elektrischen Isoliereigenschaften von Glimmer sind auf seine Besonderheit zurückzuführen Struktur, nämlich Schichtung. Die Bruchspannung beim Trennen einer Schicht von einer anderen Schicht beträgt unter anderem 200–300 MPa Glimmer, wir bemerken einen niedrigen tg, weniger als 10 -2; hoher spezifischer Widerstand, mehr als 10 12 Ohm m;
Glimmer wird als elektrische Isolierung verwendet, entweder in Form von gezupften dünnen Platten, inkl. zusammengeklebt (Mikaniten) und in Form von Glimmerpapieren, inkl. imprägniert mit verschiedenen Bindemitteln (Glimmer oder Glimmerkunststoffe). Glimmerpapier wird mit einer Technologie hergestellt, die der von Normalpapier ähnelt. Der Glimmer wird zerkleinert, der Zellstoff aufbereitet und Papierbögen auf Papiermaschinen ausgerollt.
Mikaniten haben bessere mechanische Eigenschaften und Feuchtigkeitsbeständigkeit, sind jedoch teurer und technologisch weniger fortschrittlich. Anwendung: Nut- und Windungsisolierung von elektrischen Maschinen.
Sludiniten - Plattenmaterialien aus Glimmerpapier auf Muskovitbasis. Manchmal werden sie mit einem Substrat aus Glasfaser (Glas-Ludinit) oder Polymerfolie (Filmo-Ludinit) kombiniert. Mit Lack oder anderen Bindemitteln imprägnierte Papiere haben bessere mechanische und elektrische Eigenschaften als nicht imprägnierte Papiere, ihre Hitzebeständigkeit ist jedoch in der Regel geringer, weil sie wird durch die Eigenschaften des imprägnierenden Bindemittels bestimmt.
Glimmerkunststoffe - Plattenmaterialien aus Glimmerpapier auf Phlogopitbasis, imprägniert mit Bindemitteln. Ebenso wie Glimmer werden sie auch mit anderen Materialien kombiniert. Im Vergleich zu Glimmer haben sie etwas schlechtere elektrophysikalische Eigenschaften, sind aber kostengünstiger. Die Verwendung von Glimmer und Glimmerkunststoffen erfolgt zur Isolierung elektrischer Maschinen und zur hitzebeständigen Isolierung elektrischer Geräte.
Luft ist das am häufigsten verwendete Gas im Energiesektor. Dies ist auf die geringen Kosten und die allgemeine Verfügbarkeit von Luft, die einfache Erstellung, Wartung und Reparatur von elektrischen Luftisolationssystemen sowie die Möglichkeit einer Sichtprüfung zurückzuführen. Gegenstände, die Luft als elektrische Isolierung nutzen – Stromleitungen, offene Schaltanlagen, Luftschutzschalter usw.
Von den elektronegativen Gasen mit hoher elektrischer Stärke sind die am weitesten verbreiteten SF6-Gas.. Der Name leitet sich von der Abkürzung „Elektrogas“ ab. Die einzigartigen Eigenschaften von SF6-Gas wurden in Russland entdeckt und auch in Russland begann seine Nutzung. In den 30er Jahren gründete der berühmte Wissenschaftler B.M. Gokhberg untersuchte die elektrischen Eigenschaften einer Reihe von Gasen und machte auf einige Eigenschaften von Schwefelhexafluorid SF6 aufmerksam. Die Spannungsfestigkeit bei Atmosphärendruck und einem Abstand von 1 cm beträgt E = 89 kV/cm. Das Molekulargewicht beträgt 146 und zeichnet sich durch einen sehr großen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Dichte aus. Dies ist wichtig für Kraftwerke, in denen beliebige Geräteteile gekühlt werden, denn Bei einem großen Wärmeausdehnungskoeffizienten bildet sich leicht eine Konvektionsströmung, die Wärme abführt. Aus thermophysikalischen Eigenschaften: Schmelzpunkt = -50 °C bei 2 atm, Siedepunkt (Sublimation) = -63 °C, was bedeutet, dass es bei niedrigen Temperaturen verwendet werden kann.
Unter anderen nützlichen Eigenschaften stellen wir Folgendes fest: chemische Inertheit, Ungiftigkeit, Nichtbrennbarkeit, Hitzebeständigkeit (bis 800 ° C), Explosionssicherheit, schwache Zersetzung bei Entladungen, niedrige Verflüssigungstemperatur. Ohne Verunreinigungen ist SF6-Gas für den Menschen völlig ungefährlich. Allerdings sind die Zersetzungsprodukte von SF6-Gas infolge von Entladungen (z. B. in einer Funkenstrecke oder einem Schalter) giftig und chemisch aktiv. Die komplexen Eigenschaften von SF6-Gas haben zu einer weit verbreiteten Verwendung der SF6-Isolierung geführt. In Geräten wird SF6-Gas üblicherweise unter einem Druck von mehreren Atmosphären verwendet, um die Kompaktheit von Kraftwerken zu erhöhen Die elektrische Stärke nimmt mit zunehmendem Druck zu. Auf Basis der SF6-Isolierung wurden eine Reihe elektrischer Geräte hergestellt und betrieben, darunter Kabel, Kondensatoren, Schalter und Kompaktschaltanlagen (geschlossene Schaltanlagen).
Das im Energiesektor am häufigsten vorkommende flüssige Dielektrikum ist Transformatorenöl.
Transformatoröl- eine gereinigte Ölfraktion, die bei der Destillation gewonnen wird und bei einer Temperatur von 300 °C bis 400 °C siedet. Je nach Herkunft des Öls weisen sie unterschiedliche Eigenschaften auf und diese besonderen Eigenschaften des Ausgangsmaterials spiegeln sich in den Eigenschaften des Öls wider. Es hat eine komplexe Kohlenwasserstoffzusammensetzung mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 220–340 a.u. und enthält die folgenden Hauptkomponenten.
Unter den flüssigen Dielektrika, die in ihren Eigenschaften und ihrer Anwendung mit Transformatorenöl verwandt sind, sind Kondensator- und Kabelöle hervorzuheben.
Kondensatoröle. Unter diesem Begriff wird eine Gruppe verschiedener Dielektrika zusammengefasst, die zur Imprägnierung der Papier-Öl- und Papier-Folien-Isolierung von Kondensatoren verwendet werden. Am gebräuchlichsten Kondensatoröl Gemäß GOST 5775-68 werden sie durch tiefere Reinigung aus Transformatoröl hergestellt. Unterscheidet sich von herkömmlichen Ölen durch größere Transparenz und einen niedrigeren tg -Wert (mehr als das Zehnfache). Rizinusöl Es ist pflanzlichen Ursprungs und wird aus Rizinussamen gewonnen. Haupteinsatzgebiet ist die Imprägnierung von Papierkondensatoren für den Betrieb unter gepulsten Bedingungen.
Die Dichte von Rizinusöl beträgt 0,95-0,97 t/m3, der Fließpunkt liegt zwischen -10 °C und -18 °C. Seine Dielektrizitätskonstante beträgt bei 20 °C 4,0 - 4,5 und bei 90 °C - = 3,5 - 4,0; tg beträgt bei 20 °C 0,01–0,03 und bei 100 °C tg = 0,2–0,8; Epr bei 20 °C beträgt 15–20 MV/m. Rizinusöl löst sich nicht in Benzin, wohl aber in Ethylalkohol. Im Gegensatz zu Erdölöl führt Rizinusöl nicht zum Aufquellen von gewöhnlichem Gummi. Dieses Dielektrikum gehört zu den schwach polaren flüssigen Dielektrika; sein spezifischer Widerstand beträgt unter normalen Bedingungen 108 - 1010 Ohm·m.
Kabelöle Entwickelt für die Imprägnierung der Papierisolierung von Stromkabeln. Sie basieren ebenfalls auf Erdölölen. Sie unterscheiden sich vom Transformatorenöl durch eine erhöhte Viskosität, einen erhöhten Flammpunkt und geringere dielektrische Verluste. Von den Ölmarken erwähnen wir MN-4 (niedrigviskos, zum Befüllen von Niederdruckkabeln), S-220 (hochviskos, zum Befüllen von Hochdruckkabeln) und KM-25 (am viskossten).
Die zweite Art flüssiger Dielektrika sind schwer entflammbare und nicht brennbare Flüssigkeiten. Es gibt eine ganze Reihe flüssiger Dielektrika mit solchen Eigenschaften. Am weitesten verbreitet sind sie in der Energie- und Elektrotechnik Chlorbiphenyle. In der ausländischen Literatur werden sie genannt Chlorbiphenyle. Dabei handelt es sich um Stoffe, die einen doppelten Benzolring enthalten, den sogenannten. ein Di(bi)phenylring und ein oder mehrere daran gebundene Chloratome. In Russland werden Dielektrika dieser Gruppe in Form von Mischungen verwendet, hauptsächlich Mischungen aus Pentachlorbiphenyl und Trichlorbiphenyl. Die Handelsnamen einiger von ihnen sind „Sovol“, „Sovtol“, „Kalorien-2“.
Dielektrische Materialien werden auch nach einer Reihe intraspezifischer Eigenschaften klassifiziert, die durch ihre Haupteigenschaften bestimmt werden: elektrisch, mechanisch, physikalisch-chemisch, thermisch.
4.2.1 Zu den elektrischen Eigenschaften dielektrischer Materialien gehören:
Spezifischer volumetrischer elektrischer Widerstand ρ, Ohm*m oder spezifische volumetrische Leitfähigkeit σ, S/m;
Spezifischer elektrischer Oberflächenwiderstand ρ s, Ohm oder spezifische Oberflächenleitfähigkeit σ s cm;
Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands TK ρ, ˚С -1;
Dielektrizitätskonstante ε;
Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante TKε;
Tangens des dielektrischen Verlusts δ;
Elektrische Festigkeit des Materials E pr, MV/m.
4.2.2 Thermische Eigenschaften bestimmen die thermischen Eigenschaften von Dielektrika.
Zu den thermischen Eigenschaften gehören:
Wärmekapazität;
Schmelztemperatur;
Erweichungspunkt;
Tropfpunkt;
Hitzebeständigkeit;
Hitzebeständigkeit;
Kältebeständigkeit – die Fähigkeit von Dielektrika, niedrigen Temperaturen standzuhalten und gleichzeitig die elektrischen Isoliereigenschaften beizubehalten;
Tropenbeständigkeit – Beständigkeit von Dielektrika gegenüber einem Komplex äußerer Einflüsse in tropischen Klimazonen (starke Temperaturschwankungen, hohe Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung);
Thermoelastizität;
Flammpunkt von Dämpfen elektrischer Isolierflüssigkeiten.
Hitzebeständigkeit ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Dielektrika. Gemäß GOST 21515-76 ist Hitzebeständigkeit die Fähigkeit eines Dielektrikums, der Einwirkung erhöhter Temperaturen über einen langen Zeitraum, vergleichbar mit der Dauer des Normalbetriebs, ohne unzulässige Verschlechterung seiner Eigenschaften standzuhalten.
Hitzebeständigkeitsklassen. Nur sieben. Sie werden durch den Temperaturindex TI charakterisiert. Dies ist die Temperatur, bei der die Lebensdauer des Materials 20.000 Stunden beträgt.
4.2.3 Feuchtigkeitseigenschaften von Dielektrika
Unter Feuchtigkeitsbeständigkeit versteht man die Zuverlässigkeit der Isolierung, wenn sie sich in einer Atmosphäre mit Wasserdampf nahe der Sättigung befindet. Die Feuchtigkeitsbeständigkeit wird anhand von Änderungen der elektrischen, mechanischen und anderen physikalischen Eigenschaften beurteilt, nachdem das Material einer Atmosphäre mit hoher und hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurde. auf Feuchtigkeit und Wasserdurchlässigkeit; auf Feuchtigkeit und Wasseraufnahme.
Unter Feuchtigkeitsdurchlässigkeit versteht man die Fähigkeit eines Materials, Feuchtigkeitsdampf durchzulassen, wenn auf beiden Seiten des Materials ein Unterschied in der relativen Luftfeuchtigkeit besteht.
Unter Feuchtigkeitsaufnahme versteht man die Fähigkeit eines Materials, Wasser aufzunehmen, wenn es über einen längeren Zeitraum einer feuchten Atmosphäre nahe dem Sättigungszustand ausgesetzt ist.
Unter Wasseraufnahme versteht man die Fähigkeit eines Materials, Wasser aufzunehmen, wenn es längere Zeit in Wasser eingetaucht ist.
Tropenbeständigkeit und Tropenisierung von Geräten – Schutz elektrischer Geräte vor Feuchtigkeit, Schimmel und Nagetieren.
4.2.4 Die mechanischen Eigenschaften von Dielektrika werden durch folgende Eigenschaften bestimmt:
Bruchbeanspruchung unter statischer Spannung;
Bruchspannung unter statischer Kompression;
Bruchspannung beim statischen Biegen;
Härte;
Schlagfestigkeit;
Spaltfestigkeit;
Reißfestigkeit (für flexible Materialien);
Flexibilität bei der Anzahl der Doppelbögen;
Plastoelastische Eigenschaften.
Die mechanischen Eigenschaften von Dielektrika werden durch die einschlägigen GOST-Normen bestimmt.
4.2.5 Physikalisch-chemische Eigenschaften:
Säurezahl, die die Menge an freien Säuren im Dielektrikum bestimmt, die die dielektrischen Eigenschaften von flüssigen Dielektrika, Verbindungen und Lacken verschlechtern;
Kinematische und bedingte Viskosität;
Wasseraufnahme;
Wasserbeständigkeit;
Feuchtigkeitsbeständigkeit;
Lichtbogenfestigkeit;
Kriechstromfestigkeit;
Strahlungsbeständigkeit usw.
Aufgeteilt in 3 Gruppen:
1) Erdöle;
2) synthetische Flüssigkeiten;
3) Pflanzenöle.
Flüssige Dielektrika werden zum Imprägnieren von Hochspannungskabeln, Kondensatoren, zum Füllen von Transformatoren, Schaltern und Durchführungen verwendet. Darüber hinaus übernehmen sie die Funktion eines Kühlmittels in Transformatoren, eines Lichtbogenlöschers in Schaltern usw.
Erdöle
Erdöle sind eine Mischung aus Paraffin-Kohlenwasserstoffen ( C n H 2 n+ 2) und naphthenisch (C n H 2 n). ) Reihen. Sie werden in der Elektrotechnik häufig als Transformatoren-, Kabel- und Kondensatoröle eingesetzt. Öl füllt Lücken und Poren in elektrischen Anlagen und Produkten, erhöht die elektrische Festigkeit der Isolierung und verbessert die Wärmeableitung von Produkten.
Transformatoröl durch Destillation aus Erdöl gewonnen. Die elektrischen Eigenschaften von Transformatorenöl hängen weitgehend von der Qualität der Reinigung des Öls von Verunreinigungen, seinem Wassergehalt und dem Entgasungsgrad ab. Dielektrizitätskonstante des Öls 2,2, elektrischer Widerstand 10 13 Ohm M.
Der Zweck von Transformatorenölen besteht darin, die elektrische Festigkeit der Isolierung zu erhöhen; Hitze entfernen; Förderung der Lichtbogenlöschung in Öl-Leistungsschaltern, Verbesserung der Qualität elektrische Isolierung in elektrischen Produkten: Rheostaten, Papierkondensatoren, papierisolierten Kabeln, Stromkabeln – durch Gießen und Imprägnieren.
Transformatorenöl altert während des Betriebs, was seine Qualität beeinträchtigt. Die Ölalterung wird gefördert durch: Ölkontakt mit Luft, erhöhte Temperaturen, Kontakt mit Metallen (Cu, Рb, Fe), Lichteinwirkung. Um die Lebensdauer zu erhöhen, wird das Öl durch Reinigung, Entfernung von Alterungsprodukten und Zugabe von Inhibitoren regeneriert.
KabelUnd KondensatorÖle unterscheiden sich von Transformatorölen durch eine höhere Reinigungsqualität.
Synthetische flüssige Dielektrika
Synthetische flüssige Dielektrika weisen einige Eigenschaften auf, die denen von Elektroisolierölen auf Erdölbasis überlegen sind.
Chlorierte Kohlenwasserstoffe
Sovol – Pentachlorbiphenyl C 6 H 2 Cl 3 – C 6 H 3 Cl 2 , erhalten durch Chlorierung von Biphenyl C 12 H 10
C 6 H 5 – C 6 H 5 + 5 Cl 2 → C 6 H 2 Cl 3 – C 6 H 3 Cl 2 + 5 HCl
SovolWird zum Imprägnieren und Füllen von Kondensatoren verwendet. Im Vergleich zu Erdölölen hat es eine höhere Dielektrizitätskonstante. Dielektrizitätskonstante Sovol 5,0, elektrischer Widerstand 10 11 ¸ 10 12 Ohm m. Sovol wird zur Imprägnierung von Papierfestigkeit verwendet Radiokondensatoren mit erhöhter spezifischer Kapazität und niedriger Betriebsspannung.
Sovtol – eine Mischung aus Eule mit Trichlorbenzol. Wird zur Isolierung explosionsgeschützter Transformatoren verwendet.
Organosiliciumflüssigkeiten
Am weitesten verbreitet sind Polydimethylsiloxan, Polydiethylsiloxan, Polymethylphenylsiloxan Flüssigkeiten.
Polysiloxanflüssigkeiten – flüssige Organosiliciumpolymere ( Polyorganosiloxane), haben so wertvolle Eigenschaften wie: hoch Hitzebeständigkeit, chemische Inertheit, geringe Hygroskopizität, niedriger Stockpunkt, hohe elektrische Eigenschaften über einen weiten Frequenz- und Temperaturbereich.
Flüssige Polyorganosiloxane sind Polymerverbindungen mit niedrigem Polymerisationsgrad, deren Moleküle eine Siloxangruppe von Atomen enthalten
,
wobei Siliziumatome an organische Radikale gebunden sind R: Methyl CH 3, Ethyl C 2 H 5, Phenyl C 6 H 5 . Moleküle aus Polyorganosiloxanflüssigkeiten können eine lineare, linear verzweigte und zyklische Struktur aufweisen.
Flüssig Polymethylsiloxane durch Hydrolyse gewonnen Dimethyldichlorsilan gemischt mit Trimethylchlorsilan .
Die resultierenden Flüssigkeiten sind farblos, löslich in aromatischen Kohlenwasserstoffen, Dichlorethan und einer Reihe anderer organischer Lösungsmittel und unlöslich in Alkoholen und Aceton. Polymethylsiloxane Sie sind chemisch inert, wirken nicht aggressiv auf Metalle und interagieren nicht mit den meisten organischen Dielektrika und Gummis. Dielektrizitätskonstante 2,0¸ 2,8, elektrischer Widerstand 10 12 Ohm m, elektrische Stärke 12¸ 20 MV/m
Formel Polydimethylsiloxan A sieht aus wie
– Si(CH 3 ) 3 – O – [ Si(CH 3 ) 2 – O ] N -Si(CH 3 ) = O
Flüssige Organosiliciumpolymere werden verwendet als:
Polydiethylsiloxane – durch Hydrolyse gewonnen Diethyldichlorsilan Und Triethylchlorsilan . Sie haben einen großen Siedetemperaturbereich. Die Struktur wird durch die Formel ausgedrückt:
Die Eigenschaften hängen vom Siedepunkt ab. Die elektrischen Eigenschaften sind dieselben Polydimethylsiloxan.
Flüssig Polymethylphenylsiloxane haben eine Struktur, die durch die Formel ausgedrückt wird
Durch Hydrolyse gewonnen Phenylmethyldichlorsilane usw. Viskoses Öl. Nach der BearbeitungNaOHDie Viskosität erhöht sich um das Dreifache. Hält einer Erwärmung von 1000 Stunden bis 250 °C stand. Die elektrischen Eigenschaften sind die gleichen Polydimethylsiloxan.
Bei γ – Durch Bestrahlung steigt die Viskosität von Organosiliciumflüssigkeiten stark an und die dielektrischen Eigenschaften verschlechtern sich stark. Bei einer hohen Strahlungsdosis werden Flüssigkeiten zu gummiartig Masse und dann in einen festen, spröden Körper.
Organofluorhaltige Flüssigkeiten
Fluororganische Flüssigkeiten – Von 8 F 16 – nicht brennbar und explosionsgeschützt, sehr hitzebeständig(200 °C) haben eine geringe Hygroskopizität. Ihre Paare haben eine hohe elektrische Stärke. Flüssigkeiten haben eine niedrige Viskosität und sind flüchtig. Sie haben eine bessere Wärmeableitung als Erdölöle und Silikonflüssigkeiten.–) N,
ist ein unpolares Polymer mit linearer Struktur. Erhalten durch Polymerisation von Ethylengas C 2 H 4 bei hohem Druck (bis zu 300 MPa) oder bei niedrigem Druck (bis zu 0,6 MPa). Das Molekulargewicht von Hochdruckpolyethylen beträgt 18.000 – 40.000, das Molekulargewicht von Niederdruckpolyethylen beträgt 60.000 – 800.000.
Polyethylenmoleküle haben die Fähigkeit, Materialbereiche mit einer geordneten Kettenanordnung (Kristallite) zu bilden. Daher besteht Polyethylen aus zwei Phasen (kristallin und amorph), deren Verhältnis seine mechanischen und thermischen Eigenschaften bestimmt. Amorph verleiht dem Material elastische Eigenschaften und kristallin verleiht ihm Steifigkeit. Die amorphe Phase hat eine Glasübergangstemperatur von +80 °C. Die kristalline Phase hat eine höhere Hitzebeständigkeit.
Aggregate aus Polyethylenmolekülen in kristalliner Phase sind Sphärolithe mit orthorhombischer Struktur. Der Anteil der kristallinen Phase (bis zu 90 %) ist bei Polyethylen niedriger Dichte höher als bei Polyethylen hoher Dichte (bis zu 60 %). Aufgrund seiner hohen Kristallinität hat Polyethylen niedriger Dichte einen höheren Schmelzpunkt (120–125 °C) und eine höhere Zugfestigkeit. Die Struktur von Polyethylen hängt weitgehend vom Kühlmodus ab. Bei schneller Abkühlung bilden sich kleine Sphärolithe, bei langsamer Abkühlung große. Schnell abgekühltes Polyethylen ist flexibler und weniger hart.
Die Eigenschaften von Polyethylen hängen vom Molekulargewicht, der Reinheit und den Fremdverunreinigungen ab. Die mechanischen Eigenschaften hängen vom Polymerisationsgrad ab. Polyethylen weist eine hohe chemische Beständigkeit auf. Als elektrisches Isoliermaterial wird es häufig in der Kabelindustrie und bei der Herstellung isolierter Drähte verwendet.
Derzeit werden folgende Arten von Polyethylen und Polyethylenprodukten hergestellt:
1. Nieder- und Hochdruckpolyethylen – (n.d.) und (v.d.);
2. Polyethylen niedriger Dichte für die Kabelindustrie;
3. Polyethylen mit niedrigem Molekulargewicht und hohem oder mittlerem Druck;
4. poröses Polyethylen;
5. spezieller Polyethylen-Schlauch aus Kunststoff;
6. Polyethylen zur Herstellung von HF-Kabeln;
7. elektrisch leitfähiges Polyethylen für die Kabelindustrie;
8. mit Ruß gefülltes Polyethylen;
9. chlorsulfoniertes Polyethylen;
10. Polyethylenfolie.
Fluorkunststoffe
Es gibt verschiedene Arten von Fluorkohlenstoffpolymeren, die polar oder unpolar sein können.
Betrachten wir die Eigenschaften des Produkts der Polymerisationsreaktion von Tetrafluorethylengas
(F 2 C = CF 2).
Fluorkunststoff – 4(Polytetrafluorethylen) – loses weißes Pulver. Die Struktur der Moleküle sieht aus wie
PTFE-Moleküle haben eine symmetrische Struktur. Daher ist Fluorkunststoff ein unpolares Dielektrikum
Die Symmetrie des Moleküls und die hohe Reinheit sorgen für eine hohe elektrische Leistung. Größere Bindungsenergie zwischen C und F verleiht ihm eine hohe Kältebeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Daraus hergestellte Funkkomponenten können bei -195 ÷ +250 °C betrieben werden. Nicht brennbar, chemisch beständig, nicht hygroskopisch, hydrophob und unempfindlich gegen Schimmel. Der elektrische Widerstand beträgt 10 15 ¸ 10 18 Ohm m, Dielektrizitätskonstante 1,9¸ 2,2, elektrische Stärke 20¸ 30 MV/m
Funkkomponenten werden durch Kaltpressen aus Fluorkunststoffpulver hergestellt. Gepresste Produkte werden in Öfen bei 360 – 380°C gesintert. Durch schnelles Abkühlen werden die Produkte mit hoher mechanischer Festigkeit gehärtet. Mit langsamer Abkühlung – ungehärtet. Sie sind leichter zu verarbeiten, weniger hart und weisen hohe elektrische Eigenschaften auf. Wenn Teile auf 370° erhitzt werden, wechseln sie von einem kristallinen Zustand in einen amorphen Zustand und werden transparent. Bei > 400° beginnt die thermische Zersetzung des Materials. Dabei Es entsteht giftiges Fluor.
Der Nachteil von Fluorkunststoff ist seine Fließfähigkeit bei mechanischer Belastung. Es weist eine geringe Strahlungsbeständigkeit auf und die Verarbeitung zu Produkten ist arbeitsintensiv. Eines der besten Dielektrika für die HF- und Mikrowellentechnik. Sie stellen Produkte der Elektro- und Funktechnik in Form von Platten, Scheiben, Ringen und Zylindern her. HF-Kabel sind mit einer dünnen Folie isoliert, die beim Schrumpfen verdichtet wird.
Fluorkunststoff kann mit Füllstoffen – Glasfaser, Bornitrid, Ruß usw. – modifiziert werden, wodurch es möglich wird, Materialien mit neuen Eigenschaften zu erhalten und bestehende Eigenschaften zu verbessern.