Dieléctricos y sus propiedades, polarización y fuerza de ruptura de los dieléctricos

Las sustancias (cuerpos) con conductividad eléctrica insignificante se denominan dieléctricos o aislantes.

Los dieléctricos o no conductores representan una gran clase de sustancias utilizadas en ingeniería eléctrica que son importantes para fines prácticos. Sirven para aislar circuitos eléctricos, así como para dar propiedades especiales a los aparatos eléctricos, que permiten un aprovechamiento más completo del volumen y peso de los materiales que los componen.

Los dieléctricos pueden ser sustancias en todos los estados agregados: gaseoso, líquido y sólido. En la práctica, el aire, el dióxido de carbono y el hidrógeno se utilizan como dieléctricos gaseosos tanto en estado normal como comprimido.

Todos estos gases tienen una resistencia casi infinita. Las propiedades eléctricas de los gases son isotrópicas. De sustancias líquidas, agua químicamente pura, muchas sustancias orgánicas, aceites naturales y artificiales (aceite del transformador, búho, etc.).

Los dieléctricos líquidos también tienen propiedades isotrópicas.Las altas cualidades aislantes de estas sustancias dependen de su pureza.

Por ejemplo, las propiedades aislantes del aceite de transformador disminuyen cuando se absorbe la humedad del aire. Los más utilizados en la práctica son los dieléctricos sólidos. Incluyen sustancias de origen inorgánico (porcelana, cuarzo, mármol, mica, vidrio, etc.) y orgánico (papel, ámbar, caucho, diversas sustancias orgánicas artificiales).

La mayoría de estas sustancias tienen altas propiedades eléctricas y mecánicas y se utilizan para el aislamiento de aparatos eléctricosdestinados para uso interno y externo.

Una serie de sustancias conservan sus altas propiedades aislantes no solo a temperaturas normales sino también a temperaturas elevadas (silicio, cuarzo, compuestos de silicio de silicio). Los dieléctricos sólidos y líquidos tienen cierta cantidad de electrones libres, por lo que la resistencia de un buen dieléctrico es de unos 1015 - 1016 ohm x m.

Bajo ciertas condiciones, la separación de moléculas en iones ocurre en los dieléctricos (por ejemplo, bajo la influencia de altas temperaturas o en un campo fuerte), en este caso los dieléctricos pierden sus propiedades aislantes y se vuelven conductores.

Los dieléctricos tienen la propiedad de estar polarizados y en ellos es posible una existencia a largo plazo. campo electrostático.

Una característica distintiva de todos los dieléctricos no es solo la alta resistencia al paso de la corriente eléctrica, determinada por la presencia en ellos de un pequeño número electrones, moviéndose libremente a través de todo el volumen del dieléctrico, pero también un cambio en sus propiedades bajo la acción de un campo eléctrico, lo que se llama polarización. La polarización tiene un gran efecto sobre el campo eléctrico en un dieléctrico.

Uno de los principales ejemplos del uso de dieléctricos en la práctica eléctrica es el aislamiento de elementos de dispositivos eléctricos de tierra y entre sí, por lo que la destrucción del aislamiento interrumpe el funcionamiento normal de las instalaciones eléctricas y provoca accidentes.
Para evitar esto, en el diseño de máquinas e instalaciones eléctricas, se elige el aislamiento de los elementos individuales de modo que, por un lado, la intensidad de campo en los dieléctricos no exceda en ningún lugar su rigidez dieléctrica, y por otro lado, este aislamiento en las conexiones individuales de los dispositivos se utiliza lo más posible (sin exceso de stock).
Para ello, primero se debe conocer cómo se distribuye el campo eléctrico en el dispositivo, luego, eligiendo los materiales adecuados y su espesor, se podrá resolver satisfactoriamente el problema anterior.

polarización dieléctrica

Si se crea un campo eléctrico en el vacío, entonces la magnitud y dirección del vector de intensidad de campo en un punto dado depende únicamente de la magnitud y ubicación de las cargas que crean el campo. Si el campo se crea en cualquier dieléctrico, entonces ocurren procesos físicos en las moléculas de este último que afectan el campo eléctrico.

Bajo la acción de las fuerzas del campo eléctrico, los electrones en las órbitas se desplazan en dirección opuesta al campo. Como resultado, las moléculas previamente neutras se convierten en dipolos con cargas iguales en el núcleo y electrones en las órbitas. Este fenómeno se llama polarización dieléctrica... Cuando desaparece el campo, también desaparece el desplazamiento. Las moléculas vuelven a ser eléctricamente neutras.

Moléculas polarizadas: los dipolos crean su propio campo eléctrico, cuya dirección es opuesta a la dirección del campo principal (externo), por lo tanto, el campo adicional, combinado con el principal, lo debilita.

Cuanto más polarizado esté el dieléctrico, más débil será el campo resultante, menor será su intensidad en cualquier punto para las mismas cargas que crean el campo principal y, por lo tanto, la constante dieléctrica de dicho dieléctrico es mayor.

Si el dieléctrico está en un campo eléctrico alterno, el desplazamiento de los electrones también se vuelve alterno. Este proceso conduce a un aumento del movimiento de partículas y por tanto al calentamiento del dieléctrico.

Cuanto más cambia el campo eléctrico, más se calienta el dieléctrico. En la práctica, este fenómeno se utiliza para calentar materiales húmedos para secarlos o para obtener reacciones químicas que ocurren a temperaturas elevadas.

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Dieléctricos polares y no polares

Aunque los dieléctricos prácticamente no conducen electricidad, sin embargo, bajo la influencia de un campo eléctrico, cambian sus propiedades. Dependiendo de la estructura de las moléculas y la naturaleza del efecto del campo eléctrico sobre ellas, los dieléctricos se dividen en dos tipos: no polares y polares (con polarización electrónica y orientativa).

En los dieléctricos no polares, si no en un campo eléctrico, los electrones giran en órbitas con un centro que coincide con el centro del núcleo. Por lo tanto, la acción de estos electrones puede verse como la acción de cargas negativas ubicadas en el centro del núcleo.Dado que los centros de acción de las partículas cargadas positivamente, los protones, se concentran en el centro del núcleo, en el espacio exterior el átomo se percibe como eléctricamente neutro.

Cuando estas sustancias se introducen en el campo electrostático, los electrones se desplazan bajo la influencia de las fuerzas del campo y los centros de acción de los electrones y los protones no coinciden. En el espacio exterior, el átomo en este caso se percibe como un dipolo, es decir, como un sistema de dos cargas puntuales iguales diferentes -q y + q, ubicadas entre sí a una cierta distancia pequeña a, igual al desplazamiento del centro de la órbita del electrón con respecto al centro del núcleo.

En tal sistema, la carga positiva resulta estar desplazada en la dirección de la intensidad del campo, la negativa en la dirección opuesta. Cuanto mayor sea la fuerza del campo externo, mayor será el desplazamiento relativo de las cargas en cada molécula.

Cuando el campo desaparece, los electrones vuelven a sus estados originales de movimiento en relación con el núcleo atómico y el dieléctrico vuelve a ser neutro. El cambio anterior en las propiedades de un dieléctrico bajo la influencia de un campo se llama polarización electrónica.

En los dieléctricos polares, las moléculas son dipolos. Al estar en movimiento térmico caótico, el momento dipolar cambia de posición todo el tiempo, lo que conduce a la compensación de los campos de los dipolos de las moléculas individuales y al hecho de que fuera del dieléctrico, cuando no hay campo externo, no hay campo macroscópico. campo.

Cuando estas sustancias se exponen a un campo electrostático externo, los dipolos rotarán y posicionarán sus ejes a lo largo del campo. Esta disposición totalmente ordenada se verá obstaculizada por el movimiento térmico.

Con una intensidad de campo baja, solo se produce la rotación de los dipolos en un cierto ángulo en la dirección del campo, que está determinado por el equilibrio entre la acción del campo eléctrico y el efecto del movimiento térmico.

A medida que aumenta la intensidad del campo, aumenta la rotación de las moléculas y, en consecuencia, el grado de polarización. En tales casos, la distancia a entre las cargas del dipolo está determinada por el valor promedio de las proyecciones de los ejes del dipolo en la dirección de la intensidad del campo. Además de este tipo de polarización, que se denomina orientacional, también existe una polarización electrónica en estos dieléctricos provocada por el desplazamiento de cargas.

Los patrones de polarización descritos anteriormente son básicos para todas las sustancias aislantes: gaseosas, líquidas y sólidas. En dieléctricos líquidos y sólidos, donde las distancias medias entre moléculas son menores que en los gases, el fenómeno de la polarización es complicado, porque además del desplazamiento del centro de la órbita del electrón con respecto al núcleo o la rotación de los dipolos polares, también hay una interacción entre las moléculas.

Dado que en la masa de un dieléctrico, los átomos y moléculas individuales solo están polarizados y no se dividen en iones cargados positiva y negativamente, en cada elemento del volumen de un dieléctrico polarizado, las cargas de ambos signos son iguales. Por tanto, el dieléctrico en todo su volumen permanece eléctricamente neutro.

Las excepciones son las cargas de los polos de las moléculas ubicadas en las superficies límite del dieléctrico. Tales cargas forman capas delgadas cargadas en estas superficies. En un medio homogéneo, el fenómeno de la polarización se puede representar como una disposición armónica de dipolos.

La resistencia a la ruptura de los dieléctricos.

En condiciones normales, el dieléctrico tiene conductividad eléctrica despreciable… Esta propiedad se mantiene hasta que la fuerza del campo eléctrico se incrementa a un cierto valor límite para cada dieléctrico.

En un campo eléctrico fuerte, las moléculas del dieléctrico se dividen en iones, y el cuerpo, que era un dieléctrico en un campo débil, se convierte en conductor.

La fuerza del campo eléctrico en el que comienza la ionización de las moléculas dieléctricas se denomina voltaje de ruptura (fuerza eléctrica) del dieléctrico.

Se denomina a la magnitud de la intensidad del campo eléctrico que se permite en un dieléctrico cuando se utiliza en instalaciones eléctricas tensión admisible... La tensión admisible suele ser varias veces menor que la tensión de ruptura. Se determina la relación entre el voltaje de ruptura y el margen de seguridad permisible... Los mejores no conductores (dieléctricos) son el vacío y los gases, especialmente a alta presión.

falla dielectrica

La ruptura ocurre de manera diferente en sustancias gaseosas, líquidas y sólidas y depende de una serie de condiciones: de la homogeneidad del dieléctrico, presión, temperatura, humedad, espesor del dieléctrico, etc. Por lo tanto, al determinar el valor de la rigidez dieléctrica, estos normalmente se proporcionan las condiciones.

Para los materiales que trabajan, por ejemplo, en espacios cerrados y no expuestos a las influencias atmosféricas, se establecen las condiciones normales (por ejemplo, temperatura + 20 ° C, presión 760 mm). También se normaliza la humedad, a veces la frecuencia, etc.

Los gases tienen una fuerza eléctrica relativamente baja. Entonces, el gradiente de ruptura del aire en condiciones normales es de 30 kV / cm.La ventaja de los gases es que después de su destrucción, sus propiedades aislantes se restablecen rápidamente.

Los dieléctricos líquidos tienen una fuerza eléctrica ligeramente superior. Una característica distintiva de los líquidos es la buena eliminación de calor de los dispositivos que se calientan cuando la corriente pasa a través de los cables. La presencia de impurezas, en particular agua, reduce significativamente la rigidez dieléctrica de los dieléctricos líquidos. En líquidos, como en gases, sus propiedades aislantes se restauran después de la destrucción.

Los dieléctricos sólidos representan una amplia clase de materiales aislantes, tanto naturales como artificiales. Estos dieléctricos tienen una amplia variedad de propiedades eléctricas y mecánicas.

El uso de este o aquel material depende de los requisitos de aislamiento de la instalación dada y las condiciones de su operación. Mica, vidrio, parafina, ebonita, así como diversas sustancias orgánicas fibrosas y sintéticas, baquelita, getinax, etc. Se caracterizan por una alta resistencia eléctrica.

Si, además del requisito de un alto gradiente de ruptura, se impone al material un requisito de alta resistencia mecánica (por ejemplo, en aisladores de soporte y suspensión, para proteger el equipo del estrés mecánico), la porcelana eléctrica es ampliamente utilizada.

La tabla muestra los valores de resistencia a la ruptura (en condiciones normales y en un cero constante constante) de algunos de los dieléctricos más comunes.

Valores de resistencia a la ruptura dieléctrica

Material Tensión de ruptura, kv / mm Papel impregnado de parafina 10,0-25,0 Aire 3,0 Aceite mineral 6,0 -15,0 Mármol 3,0 — 4,0 Mikanite 15,0 — 20,0 Cartón eléctrico 9 ,0 — 14,0 Mica 80,0 — 200,0 Vidrio 10,0 — 40,0 Porcelana 6,0 — 7,5 Pizarra 1. 5 — 3.0