유전체 및 그 특성, 유전체의 분극 및 파괴 강도

전기 전도성이 무시할 수 있는 물질(몸체)을 유전체 또는 절연체라고 합니다.

유전체 또는 비전도체는 실용적인 목적에 중요한 전기 공학에 사용되는 많은 종류의 물질을 나타냅니다. 그들은 전기 회로를 절연시키는 역할을 할 뿐만 아니라 전기 장치에 특별한 특성을 부여하여 전기 장치를 만드는 재료의 부피와 무게를 보다 완벽하게 사용할 수 있게 합니다.

유전체는 기체, 액체, 고체 등 모든 집합 상태의 물질일 수 있습니다. 실제로 공기, 이산화탄소, 수소는 정상 상태와 압축 상태 모두에서 기체 유전체로 사용됩니다.

이 모든 가스는 거의 무한한 저항을 가지고 있습니다. 기체의 전기적 특성은 등방성입니다. 액체 물질, 화학적으로 순수한 물, 많은 유기 물질, 천연 및 인공 오일(변압기 오일, 올빼미 등).

액체 유전체는 또한 등방성 특성을 가지고 있습니다.이러한 물질의 높은 절연 품질은 순도에 따라 달라집니다.

예를 들어, 변압기 오일의 절연 특성은 공기에서 수분이 흡수되면 감소합니다. 실제로 가장 널리 사용되는 것은 고체 유전체입니다. 여기에는 무기 물질(도자기, 석영, 대리석, 운모, 유리 등) 및 유기 물질(종이, 호박, 고무, 다양한 인공 유기 물질)이 포함됩니다.

이러한 물질의 대부분은 높은 전기적, 기계적 특성을 가지고 있으며 사용됩니다. 가전제품 절연용내부 및 외부 사용을 위한 것입니다.

많은 물질이 정상 상태뿐만 아니라 고온에서도 높은 절연 특성을 유지합니다(실리콘, 석영, 실리콘 실리콘 화합물). 고체 및 액체 유전체에는 일정량의 자유 전자가 있으므로 우수한 유전체의 저항은 약 1015 - 1016ohm x m입니다.

특정 조건에서 분자가 이온으로 분리되는 것은 유전체에서 발생합니다(예: 고온 또는 강한 장의 영향 하에서). 이 경우 유전체는 절연 특성을 잃고 드라이버.

유전체는 분극되는 성질을 가지고 있어 장기간 존재가 가능하다. 정전기장.

모든 유전체의 독특한 특징은 전류 통과에 대한 높은 저항뿐만 아니라 소수의 존재에 의해 결정됩니다. 전자, 유전체의 전체 부피를 통해 자유롭게 이동하지만 분극이라고하는 전기장의 작용에 따라 특성이 변경됩니다. 분극은 유전체의 전기장에 큰 영향을 미칩니다.

전기 실습에서 유전체를 사용하는 주요 예 중 하나는 전기 장치의 요소를 접지와 서로 분리하는 것입니다. 이로 인해 절연 파괴로 인해 전기 설비의 정상적인 작동이 중단되고 사고가 발생합니다.
이를 방지하기 위해 전기 기계 및 설비의 설계에서 한편으로는 유전체의 전계 강도가 어디에서나 유전체 강도를 초과하지 않도록 개별 요소의 절연이 선택되고 다른 한편으로는 이 절연이 선택됩니다. 장치의 개별 연결에서 가능한 한 완전하게 사용하십시오(과잉 재고 없음).
그러기 위해서는 먼저 소자에 전계가 어떻게 분포되어 있는지 알아야 하고, 적절한 재료와 두께를 선택하면 위의 문제를 만족스럽게 해결할 수 있다.

유전체 분극

진공에서 전기장이 생성되면 주어진 지점에서 전기장 벡터의 크기와 방향은 전기장을 생성하는 전하의 크기와 위치에만 의존합니다. 필드가 유전체에서 생성되면 전기장에 영향을 미치는 후자의 분자에서 물리적 프로세스가 발생합니다.

전기장의 작용에 따라 궤도의 전자는 전기장의 반대 방향으로 변위됩니다. 결과적으로 이전에 중성이었던 분자는 궤도에서 핵과 전자에서 동일한 전하를 가진 쌍극자가 됩니다. 이 현상을 유전 분극... 필드가 사라지면 변위도 사라집니다. 분자는 다시 전기적으로 중성이 됩니다.

극성 분자 - 쌍극자는 자체 전기장을 생성하며 그 방향은 기본 (외부) 필드의 방향과 반대이므로 추가 필드는 기본 필드와 결합하여 약화시킵니다.

유전체가 더 분극화될수록 결과 필드가 약해질수록 주 필드를 생성하는 동일한 전하에 대해 어떤 지점에서든 강도가 낮아지므로 이러한 유전체의 유전 상수는 더 커집니다.

유전체가 교류 전기장에 있는 경우 전자의 변위도 교류가 됩니다. 이 프로세스는 입자의 움직임을 증가시켜 유전체를 가열합니다.

전기장이 자주 변경될수록 유전체가 더 많이 가열됩니다. 실제로 이 현상은 젖은 재료를 가열하여 건조시키거나 고온에서 발생하는 화학 반응을 얻는 데 사용됩니다.

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극성 및 비극성 유전체

유전체는 실제로 전기를 전도하지 않지만 전기장의 영향으로 특성이 변경됩니다. 분자의 구조와 전계에 미치는 영향의 특성에 따라 유전체는 비극성과 극성(전자 및 방향성 분극 포함)의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

비극성 유전체에서 전기장에 있지 않으면 전자는 핵의 중심과 일치하는 중심으로 궤도를 돌고 있습니다. 따라서 이러한 전자의 작용은 핵의 중심에 위치한 음전하의 작용으로 볼 수 있다.양전하를 띤 입자(양성자)의 작용 중심이 핵의 중심에 집중되어 있기 때문에 우주 공간에서 원자는 전기적으로 중성으로 인식됩니다.

이러한 물질이 정전기 장에 도입되면 전자는 장력의 영향으로 변위되고 전자와 양성자의 작용 중심이 일치하지 않습니다. 우주 공간에서 이 경우 원자는 쌍극자로 인식됩니다. 핵의 중심에 대한 전자 궤도의 중심.

이러한 시스템에서 양전하는 전계 강도 방향으로, 음전하는 반대 방향으로 변위됩니다. 외부 장의 강도가 클수록 각 분자 내 전하의 상대적 변위가 커집니다.

필드가 사라지면 전자는 원자핵에 대한 원래 운동 상태로 돌아가고 유전체는 다시 중성이 됩니다. 필드의 영향 하에서 유전체 특성의 위의 변화를 전자 분극이라고 합니다.

극성 유전체에서 분자는 쌍극자입니다. 무질서한 열 운동 상태에서 쌍극자 모멘트는 항상 위치를 변경합니다.이로 인해 개별 분자의 쌍극자 필드가 보상되고 유전체 외부에서는 외부 필드가 없을 때 거시적 필드.

이러한 물질이 외부 정전기장에 노출되면 쌍극자가 회전하여 필드를 따라 축을 배치합니다. 이 완전히 정렬된 배열은 열 운동에 의해 방해를 받습니다.

낮은 전계 강도에서는 전기장의 작용과 열 운동 효과 사이의 균형에 의해 결정되는 전계 방향으로 특정 각도에서 쌍극자의 회전만 발생합니다.

전계 강도가 증가함에 따라 분자의 회전 및 그에 따른 분극도가 증가합니다. 이러한 경우, 쌍극자 전하 사이의 거리 a는 전계 강도 방향에 대한 쌍극자 축의 투영의 평균값에 의해 결정됩니다. 오리엔테이션이라고 하는 이러한 유형의 분극 외에도 이러한 유전체에는 전하의 변위로 인해 발생하는 전자 분극이 있습니다.

위에서 설명한 분극 패턴은 모든 절연 물질(기체, 액체 및 고체)의 기본입니다. 분자 사이의 평균 거리가 기체보다 작은 액체 및 고체 유전체에서는 핵에 대한 전자 궤도 중심의 이동 또는 극성 쌍극자의 회전 외에도, 분자들 사이에도 상호 작용이 있습니다.

유전체의 질량에서 개별 원자와 분자는 분극화만 되고 양전하 및 음전하 이온으로 분해되지 않기 때문에 분극 유전체 부피의 각 요소에서 두 기호의 전하는 동일합니다. 따라서 볼륨 전체의 유전체는 전기적으로 중성을 유지합니다.

예외는 유전체의 경계면에 위치한 분자 극의 전하입니다. 이러한 전하는 이러한 표면에서 얇은 대전 층을 형성합니다. 균질 매질에서 편광 현상은 쌍극자의 조화로운 배열로 나타낼 수 있습니다.

유전체의 파괴 강도

정상적인 조건에서 유전체는 무시할 수 있는 전기 전도도… 이 특성은 각 유전체에 대해 전계 강도가 특정 제한 값까지 증가할 때까지 유지됩니다.

강한 전기장에서는 유전체의 분자가 이온으로 쪼개지고, 약한 전기장에서는 유전체였던 몸체가 전도체가 된다.

유전체 분자의 이온화가 시작되는 전계의 강도를 유전체의 파괴 전압(전기 강도)이라고 합니다.

전기 설비에 사용될 때 유전체에 허용되는 전계 강도의 크기라고합니다. 허용 전압... 허용 전압은 일반적으로 차단 전압보다 몇 배 낮습니다. 허용되는 안전 마진에 대한 항복 전압의 비율이 결정됩니다. 최고의 부도체(유전체)는 특히 고압에서 진공 및 가스입니다.

유전체 고장

고장은 기체, 액체 및 고체 물질에서 다르게 발생하며 유전체의 균질성, 압력, 온도, 습도, 유전체 두께 등에 따라 여러 가지 조건에 따라 달라집니다. 따라서 유전체 강도 값을 결정할 때 이러한 조건은 일반적으로 제공됩니다.

예를 들어 닫힌 공간에서 작업하고 대기 영향에 노출되지 않는 재료의 경우 정상 조건이 설정됩니다(예: 온도 + 20 ° C, 압력 760 mm). 습도도 정상화되며 때로는 빈도 등이 있습니다.

가스는 상대적으로 전기 강도가 낮습니다. 따라서 정상적인 조건에서 공기의 분해 구배는 30kV/cm입니다.가스의 장점은 파괴 후 절연 특성이 빠르게 회복된다는 것입니다.

액체 유전체는 전기 강도가 약간 더 높습니다. 액체의 독특한 특징은 전류가 와이어를 통과할 때 가열되는 장치에서 열을 잘 제거한다는 것입니다. 불순물, 특히 물의 존재는 액체 유전체의 유전 강도를 크게 감소시킵니다. 기체와 마찬가지로 액체에서도 파괴 후 절연 특성이 회복됩니다.

고체 유전체는 천연 및 인공 절연 재료의 다양한 종류를 나타냅니다. 이러한 유전체는 다양한 전기적 및 기계적 특성을 가지고 있습니다.

이 재료 또는 저 재료의 사용은 주어진 설비의 절연 요구 사항과 작동 조건에 따라 다릅니다. 운모, 유리, 파라핀, 에보나이트 및 각종 섬유질 및 합성유기물, 베이클라이트, 게티낙스 등 그들은 높은 전기 강도가 특징입니다.

높은 항복 구배에 대한 요구 사항 외에도 높은 기계적 강도에 대한 요구 사항이 재료에 부과되는 경우(예: 기계적 응력으로부터 장비를 보호하기 위해 지지대 및 서스펜션 절연체에서) 전기 도자기가 널리 사용됩니다.

이 표는 가장 일반적인 일부 유전체의 파괴 강도 값(정상 조건 및 일정한 상수 0에서)을 보여줍니다.

절연 파괴 강도 값

재료 파괴 전압, kv/mm 파라핀이 함침된 종이 10.0-25.0 공기 3.0 광유 6.0 -15.0 대리석 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 전자 판지 9 .0 — 14.0 Mica 80.0 — 200.0 유리 10.0 — 40.0 도자기 6.0 — 7.5 슬레이트 1.5 — 3.0