डायलेक्ट्रिक्स आणि त्यांचे गुणधर्म, ध्रुवीकरण आणि डायलेक्ट्रिक्सचे ब्रेकडाउन सामर्थ्य

नगण्य विद्युत चालकता असलेल्या पदार्थांना (शरीर) डायलेक्ट्रिक्स किंवा इन्सुलेटर म्हणतात.

डायलेक्ट्रिक्स किंवा नॉन-कंडक्टर इलेक्ट्रिकल अभियांत्रिकीमध्ये वापरल्या जाणार्‍या पदार्थांच्या मोठ्या वर्गाचे प्रतिनिधित्व करतात जे व्यावहारिक हेतूंसाठी महत्त्वपूर्ण असतात. ते इलेक्ट्रिक सर्किट्सचे पृथक्करण करतात, तसेच इलेक्ट्रिकल उपकरणांना विशेष गुणधर्म देतात, ज्यामुळे ते बनविलेल्या सामग्रीच्या व्हॉल्यूम आणि वजनाचा अधिक संपूर्ण वापर करणे शक्य होते.

डायलेक्ट्रिक्स सर्व एकत्रित अवस्थांमध्ये पदार्थ असू शकतात: वायू, द्रव आणि घन. प्रॅक्टिसमध्ये, हवा, कार्बन डायऑक्साइड, हायड्रोजन सामान्य आणि संकुचित स्थितीत वायू डायलेक्ट्रिक्स म्हणून वापरले जातात.

या सर्व वायूंमध्ये जवळजवळ अमर्याद प्रतिकार असतो. वायूंचे विद्युत गुणधर्म समस्थानिक आहेत. द्रव पदार्थांपासून, रासायनिक शुद्ध पाणी, अनेक सेंद्रिय पदार्थ, नैसर्गिक आणि कृत्रिम तेले (ट्रान्सफॉर्मर तेल, घुबड इ.).

लिक्विड डायलेक्ट्रिक्समध्ये समस्थानिक गुणधर्म देखील असतात.या पदार्थांचे उच्च इन्सुलेट गुण त्यांच्या शुद्धतेवर अवलंबून असतात.

उदाहरणार्थ, जेव्हा हवेतून आर्द्रता शोषली जाते तेव्हा ट्रान्सफॉर्मर तेलाचे इन्सुलेट गुणधर्म कमी होतात. सराव मध्ये सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरले घन dielectrics आहेत. त्यामध्ये अजैविक (पोर्सिलेन, क्वार्ट्ज, संगमरवरी, अभ्रक, काच इ.) आणि सेंद्रिय (कागद, एम्बर, रबर, विविध कृत्रिम सेंद्रिय पदार्थ) मूळचे पदार्थ समाविष्ट आहेत.

यापैकी बहुतेक पदार्थांमध्ये उच्च विद्युत आणि यांत्रिक गुणधर्म असतात आणि ते वापरले जातात विद्युत उपकरणांच्या इन्सुलेशनसाठीअंतर्गत आणि बाह्य वापरासाठी हेतू.

अनेक पदार्थ केवळ सामान्य स्थितीतच नव्हे तर भारदस्त तापमानात (सिलिकॉन, क्वार्ट्ज, सिलिकॉन सिलिकॉन संयुगे) त्यांचे उच्च इन्सुलेट गुणधर्म राखून ठेवतात. सॉलिड आणि लिक्विड डायलेक्ट्रिक्समध्ये ठराविक प्रमाणात मुक्त इलेक्ट्रॉन असतात, म्हणूनच चांगल्या डायलेक्ट्रिकचा प्रतिकार सुमारे 1015 - 1016 ohm x m असतो.

विशिष्ट परिस्थितींमध्ये, रेणूंचे आयनमध्ये पृथक्करण डायलेक्ट्रिक्समध्ये होते (उदाहरणार्थ, उच्च तापमानाच्या प्रभावाखाली किंवा मजबूत क्षेत्रामध्ये), या प्रकरणात डायलेक्ट्रिक्स त्यांचे इन्सुलेट गुणधर्म गमावतात आणि बनतात. चालक.

डायलेक्ट्रिक्समध्ये ध्रुवीकरण होण्याची मालमत्ता आहे आणि त्यांच्यामध्ये दीर्घकालीन अस्तित्व शक्य आहे. इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्ड.

सर्व डायलेक्ट्रिक्सचे एक विशिष्ट वैशिष्ट्य म्हणजे केवळ विद्युत प्रवाहाच्या उत्तीर्णतेसाठी उच्च प्रतिकार नाही, जे त्यांच्यामध्ये कमी संख्येच्या उपस्थितीद्वारे निर्धारित केले जाते. इलेक्ट्रॉन, डायलेक्ट्रिकच्या संपूर्ण व्हॉल्यूममधून मुक्तपणे फिरणे, परंतु विद्युत क्षेत्राच्या कृती अंतर्गत त्यांच्या गुणधर्मांमध्ये बदल देखील होतो, ज्याला ध्रुवीकरण म्हणतात. डायलेक्ट्रिकमधील विद्युत क्षेत्रावर ध्रुवीकरणाचा मोठा प्रभाव पडतो.

इलेक्ट्रिकल प्रॅक्टिसमध्ये डायलेक्ट्रिक्सच्या वापराच्या मुख्य उदाहरणांपैकी एक म्हणजे विद्युत उपकरणांच्या घटकांचे जमिनीपासून आणि एकमेकांपासून वेगळे करणे, ज्यामुळे इन्सुलेशनचा नाश विद्युत प्रतिष्ठानांच्या सामान्य ऑपरेशनमध्ये व्यत्यय आणतो आणि अपघातांना कारणीभूत ठरतो.
हे टाळण्यासाठी, इलेक्ट्रिकल मशीन्स आणि इंस्टॉलेशन्सच्या डिझाइनमध्ये, वैयक्तिक घटकांचे इन्सुलेशन निवडले जाते जेणेकरुन, एकीकडे, डायलेक्ट्रिक्समधील फील्ड सामर्थ्य कुठेही त्यांच्या डायलेक्ट्रिक शक्तीपेक्षा जास्त होणार नाही आणि दुसरीकडे, हे इन्सुलेशन डिव्हाइसेसच्या वैयक्तिक कनेक्शनमध्ये शक्य तितक्या पूर्णपणे वापरल्या जातात (जादा स्टॉक नाही).
हे करण्यासाठी, आपल्याला प्रथम डिव्हाइसमध्ये विद्युत क्षेत्र कसे वितरित केले जाते हे जाणून घेणे आवश्यक आहे. त्यानंतर, योग्य सामग्री आणि त्यांची जाडी निवडून, वरील समस्या समाधानकारकपणे सोडवता येईल.

डायलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण

जर व्हॅक्यूममध्ये इलेक्ट्रिक फील्ड तयार केले असेल, तर दिलेल्या बिंदूवर फील्ड स्ट्रेंथ वेक्टरची परिमाण आणि दिशा केवळ फील्ड तयार करणार्‍या शुल्कांच्या परिमाण आणि स्थानावर अवलंबून असते. जर फील्ड कोणत्याही डायलेक्ट्रिकमध्ये तयार केले असेल तर नंतरच्या रेणूंमध्ये भौतिक प्रक्रिया घडतात ज्या विद्युत क्षेत्रावर परिणाम करतात.

इलेक्ट्रिक फील्ड फोर्सच्या कृती अंतर्गत, कक्षामधील इलेक्ट्रॉन फील्डच्या विरुद्ध दिशेने विस्थापित होतात. परिणामी, पूर्वी तटस्थ रेणू कक्षेतील न्यूक्लियस आणि इलेक्ट्रॉन्सवर समान शुल्कासह द्विध्रुव बनतात. या घटनेला डायलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण म्हणतात... जेव्हा क्षेत्र नाहीसे होते, तेव्हा विस्थापन देखील अदृश्य होते. रेणू पुन्हा विद्युतदृष्ट्या तटस्थ होतात.

ध्रुवीकृत रेणू - द्विध्रुव त्यांचे स्वतःचे इलेक्ट्रिक फील्ड तयार करतात, ज्याची दिशा मुख्य (बाह्य) फील्डच्या दिशेच्या विरुद्ध असते, म्हणून अतिरिक्त फील्ड, मुख्यसह एकत्रित करून, ते कमकुवत करते.

डायलेक्ट्रिकचे जितके अधिक ध्रुवीकरण होईल, परिणामी फील्ड कमकुवत होईल, मुख्य फील्ड तयार करणार्‍या समान शुल्कासाठी कोणत्याही टप्प्यावर तिची तीव्रता कमी होईल आणि म्हणून अशा डायलेक्ट्रिकचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक जास्त असेल.

जर डायलेक्ट्रिक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्रात असेल तर इलेक्ट्रॉनचे विस्थापन देखील वैकल्पिक होते. या प्रक्रियेमुळे कणांच्या हालचालीत वाढ होते आणि त्यामुळे डायलेक्ट्रिक गरम होते.

जितक्या वेळा इलेक्ट्रिक फील्ड बदलते तितके जास्त डायलेक्ट्रिक गरम होते. सराव मध्ये, या घटनेचा वापर ओले पदार्थ गरम करण्यासाठी त्यांना सुकविण्यासाठी किंवा भारदस्त तापमानात होणारी रासायनिक प्रतिक्रिया प्राप्त करण्यासाठी केला जातो.

हे देखील वाचा: काय होते त्यामुळे डायलेक्ट्रिक नुकसान काय आहे

ध्रुवीय आणि नॉन-ध्रुवीय डायलेक्ट्रिक्स

जरी डायलेक्ट्रिक्स व्यावहारिकरित्या वीज चालवत नाहीत, तरीही, विद्युत क्षेत्राच्या प्रभावाखाली, ते त्यांचे गुणधर्म बदलतात. रेणूंच्या संरचनेवर आणि विद्युत क्षेत्राच्या त्यांच्यावरील परिणामाच्या स्वरूपावर अवलंबून, डायलेक्ट्रिक्स दोन प्रकारांमध्ये विभागले जातात: नॉन-ध्रुवीय आणि ध्रुवीय (इलेक्ट्रॉनिक आणि ओरिएंटेशनल ध्रुवीकरणासह).

नॉन-ध्रुवीय डायलेक्ट्रिक्समध्ये, जर विद्युत क्षेत्रामध्ये नसेल तर, इलेक्ट्रॉन मध्यवर्ती केंद्राशी एकरूप असलेल्या कक्षेत फिरतात. म्हणून, या इलेक्ट्रॉनची क्रिया न्यूक्लियसच्या मध्यभागी स्थित ऋण शुल्काची क्रिया म्हणून पाहिली जाऊ शकते.पॉझिटिव्ह चार्ज केलेल्या कणांच्या क्रियेची केंद्रे - प्रोटॉन - केंद्रकाच्या मध्यभागी केंद्रित असल्याने, बाह्य अवकाशात अणू विद्युतदृष्ट्या तटस्थ समजला जातो.

जेव्हा हे पदार्थ इलेक्ट्रोस्टॅटिक फील्डमध्ये आणले जातात, तेव्हा इलेक्ट्रॉन फील्ड फोर्सच्या प्रभावाखाली विस्थापित होतात आणि इलेक्ट्रॉन आणि प्रोटॉनच्या क्रियेची केंद्रे जुळत नाहीत. बाह्य अवकाशात, या प्रकरणातील अणू द्विध्रुव म्हणून समजला जातो, म्हणजे, दोन समान भिन्न बिंदू शुल्क -q आणि + q, एकमेकांपासून एका विशिष्ट लहान अंतरावर स्थित असलेल्या अणूच्या विस्थापनाच्या समान असतात. न्यूक्लियसच्या केंद्राशी संबंधित इलेक्ट्रॉन कक्षाचे केंद्र.

अशा प्रणालीमध्ये, पॉझिटिव्ह चार्ज फील्ड ताकदीच्या दिशेने विस्थापित होतो, नकारात्मक विरुद्ध दिशेने. बाह्य क्षेत्राची ताकद जितकी जास्त असेल तितके प्रत्येक रेणूमधील शुल्कांचे सापेक्ष विस्थापन जास्त असेल.

जेव्हा फील्ड अदृश्य होते, तेव्हा इलेक्ट्रॉन अणू केंद्रकाच्या तुलनेत त्यांच्या मूळ गतीच्या स्थितीकडे परत येतात आणि डायलेक्ट्रिक पुन्हा तटस्थ बनते. फील्डच्या प्रभावाखाली डायलेक्ट्रिकच्या गुणधर्मांमधील वरील बदलांना इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण म्हणतात.

ध्रुवीय डायलेक्ट्रिक्समध्ये, रेणू द्विध्रुव असतात. अव्यवस्थित थर्मल मोशनमध्ये असल्याने, द्विध्रुवीय क्षण नेहमीच आपली स्थिती बदलतो. यामुळे वैयक्तिक रेणूंच्या द्विध्रुवांच्या फील्डची भरपाई होते आणि डायलेक्ट्रिकच्या बाहेर, जेव्हा कोणतेही बाह्य क्षेत्र नसते, तेव्हा कोणतेही मॅक्रोस्कोपिक नसते. फील्ड

जेव्हा हे पदार्थ बाह्य इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षेत्राच्या संपर्कात येतात, तेव्हा द्विध्रुव फिरतात आणि त्यांची अक्ष फील्डच्या बाजूने ठेवतात. ही पूर्णपणे ऑर्डर केलेली व्यवस्था थर्मल मोशनमध्ये अडथळा आणेल.

कमी फील्ड स्ट्रेंथमध्ये, फील्डच्या दिशेने एका विशिष्ट कोनात फक्त द्विध्रुवांचे रोटेशन होते, जे विद्युत क्षेत्राच्या क्रिया आणि थर्मल मोशनच्या प्रभावातील संतुलनाद्वारे निर्धारित केले जाते.

फील्ड सामर्थ्य जसजसे वाढते तसतसे रेणूंचे फिरणे आणि त्यानुसार, ध्रुवीकरणाची डिग्री वाढते. अशा परिस्थितीत, द्विध्रुवीय शुल्कांमधील अंतर a हे द्विध्रुवीय अक्षांच्या क्षेत्रीय सामर्थ्याच्या दिशेने असलेल्या अंदाजांच्या सरासरी मूल्याद्वारे निर्धारित केले जाते. या प्रकारच्या ध्रुवीकरणाव्यतिरिक्त, ज्याला ओरिएंटेशनल म्हणतात, या डायलेक्ट्रिक्समध्ये शुल्काच्या विस्थापनामुळे इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण देखील होते.

वर वर्णन केलेले ध्रुवीकरण नमुने सर्व इन्सुलेट पदार्थांसाठी मूलभूत आहेत: वायू, द्रव आणि घन. द्रव आणि घन डायलेक्ट्रिक्समध्ये, जेथे रेणूंमधील सरासरी अंतर वायूंपेक्षा कमी असते, ध्रुवीकरणाची घटना गुंतागुंतीची असते, कारण न्यूक्लियस किंवा ध्रुवीय द्विध्रुवांच्या रोटेशनच्या सापेक्ष इलेक्ट्रॉन कक्षाचे केंद्र बदलण्याव्यतिरिक्त, रेणूंमध्ये परस्परसंवाद देखील आहे.

डायलेक्ट्रिकच्या वस्तुमानात, वैयक्तिक अणू आणि रेणू केवळ ध्रुवीकृत असतात आणि सकारात्मक आणि नकारात्मक चार्ज केलेल्या आयनांमध्ये विभागत नाहीत, ध्रुवीकृत डायलेक्ट्रिकच्या व्हॉल्यूमच्या प्रत्येक घटकामध्ये, दोन्ही चिन्हांचे शुल्क समान असतात. त्यामुळे, त्याच्या संपूर्ण व्हॉल्यूममध्ये डायलेक्ट्रिक विद्युतदृष्ट्या तटस्थ राहतो.

अपवाद म्हणजे डायलेक्ट्रिकच्या सीमावर्ती पृष्ठभागांवर स्थित रेणूंच्या ध्रुवांचे शुल्क. असे शुल्क या पृष्ठभागांवर पातळ चार्ज केलेले थर तयार करतात. एकसंध माध्यमात, ध्रुवीकरणाची घटना द्विध्रुवांची एक हार्मोनिक व्यवस्था म्हणून दर्शविली जाऊ शकते.

डायलेक्ट्रिक्सची ब्रेकडाउन ताकद

सामान्य परिस्थितीत, डायलेक्ट्रिक आहे नगण्य विद्युत चालकता… प्रत्येक डायलेक्ट्रिकसाठी विद्युत क्षेत्राची ताकद एका विशिष्ट मर्यादित मूल्यापर्यंत वाढेपर्यंत हा गुणधर्म कायम राहतो.

मजबूत विद्युत क्षेत्रामध्ये, डायलेक्ट्रिकचे रेणू आयनांमध्ये विभाजित होतात आणि शरीर, जे कमकुवत क्षेत्रामध्ये डायलेक्ट्रिक होते, ते कंडक्टर बनते.

डायलेक्ट्रिक रेणूंचे आयनीकरण सुरू होते त्या विद्युत क्षेत्राच्या ताकदीला डायलेक्ट्रिकचा ब्रेकडाउन व्होल्टेज (विद्युत शक्ती) म्हणतात.

याला डायलेक्ट्रिकमध्ये अनुमत असलेल्या विद्युत क्षेत्राच्या सामर्थ्याची परिमाण असे म्हणतात जेव्हा ते इलेक्ट्रिकल इंस्टॉलेशन्समध्ये अनुमत व्होल्टेज वापरले जाते... स्वीकार्य व्होल्टेज सामान्यतः ब्रेकिंग व्होल्टेजपेक्षा कित्येक पट कमी असते. ब्रेकडाउन व्होल्टेजचे अनुज्ञेय सुरक्षा मार्जिनचे गुणोत्तर निर्धारित केले जाते... सर्वोत्तम नॉन-कंडक्टर (डायलेक्ट्रिक्स) व्हॅक्यूम आणि वायू आहेत, विशेषत: उच्च दाबावर.

डायलेक्ट्रिक अपयश

वायू, द्रव आणि घन पदार्थांमध्ये विघटन वेगळ्या प्रकारे होते आणि ते अनेक परिस्थितींवर अवलंबून असते: डायलेक्ट्रिकच्या एकसंधतेवर, दाब, तापमान, आर्द्रता, डायलेक्ट्रिकची जाडी इ. त्यामुळे, डायलेक्ट्रिक शक्तीचे मूल्य निर्धारित करताना, हे अटी सहसा प्रदान केल्या जातात.

कार्यरत सामग्रीसाठी, उदाहरणार्थ, बंद खोल्यांमध्ये आणि वातावरणीय प्रभावांच्या संपर्कात नसलेल्या, सामान्य परिस्थिती स्थापित केली जाते (उदाहरणार्थ, तापमान + 20 डिग्री सेल्सियस, दबाव 760 मिमी). आर्द्रता देखील सामान्य होते, कधीकधी वारंवारता इ.

वायूंची विद्युत शक्ती तुलनेने कमी असते. तर सामान्य परिस्थितीत हवेचा ब्रेकडाउन ग्रेडियंट 30 kV/cm आहे.वायूंचा फायदा असा आहे की त्यांचा नाश झाल्यानंतर त्यांचे इन्सुलेट गुणधर्म त्वरीत पुनर्संचयित केले जातात.

लिक्विड डायलेक्ट्रिक्सची विद्युत शक्ती थोडी जास्त असते. द्रवपदार्थांचे एक विशिष्ट वैशिष्ट्य म्हणजे तारांमधून विद्युतप्रवाह गेल्यावर गरम होणाऱ्या उपकरणांमधून उष्णता काढून टाकणे. अशुद्धतेची उपस्थिती, विशिष्ट पाण्यात, द्रव डायलेक्ट्रिक्सची डायलेक्ट्रिक ताकद लक्षणीयरीत्या कमी करते. द्रवांमध्ये, वायूंप्रमाणेच, त्यांचे इन्सुलेट गुणधर्म नष्ट झाल्यानंतर पुनर्संचयित केले जातात.

सॉलिड डायलेक्ट्रिक्स नैसर्गिक आणि मानवनिर्मित दोन्ही प्रकारच्या इन्सुलेट सामग्रीच्या विस्तृत वर्गाचे प्रतिनिधित्व करतात. या डायलेक्ट्रिक्समध्ये विविध प्रकारचे विद्युत आणि यांत्रिक गुणधर्म आहेत.

या किंवा त्या सामग्रीचा वापर दिलेल्या स्थापनेच्या इन्सुलेशन आवश्यकता आणि त्याच्या ऑपरेशनच्या अटींवर अवलंबून असतो. मीका, काच, पॅराफिन, इबोनाइट, तसेच विविध तंतुमय आणि कृत्रिम सेंद्रिय पदार्थ, बेकेलाइट, गेटिनॅक्स इ. ते उच्च विद्युत शक्ती द्वारे दर्शविले जातात.

जर, उच्च ब्रेकडाउन ग्रेडियंटच्या आवश्यकतेव्यतिरिक्त, सामग्रीवर उच्च यांत्रिक शक्तीची आवश्यकता लादली गेली असेल (उदाहरणार्थ, सपोर्ट आणि सस्पेंशन इन्सुलेटरमध्ये, यांत्रिक तणावापासून उपकरणांचे संरक्षण करण्यासाठी), इलेक्ट्रिकल पोर्सिलेनचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.

सारणी काही सर्वात सामान्य डायलेक्ट्रिक्सचे ब्रेकडाउन सामर्थ्य मूल्ये (सामान्य परिस्थितीत आणि स्थिर स्थिर शून्यावर) दर्शवते.

डायलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन ताकद मूल्ये

मटेरियल ब्रेकडाउन व्होल्टेज, kv/mm पेपर पॅराफिन 10.0-25.0 एअर 3.0 मिनरल ऑइल 6.0 -15.0 मार्बल 3.0 — 4.0 मिकॅनाइट 15.0 — 20.0 इलेक्ट्रिकल कार्डबोर्ड 9.0 — 14.0 G0201 G0201 — 14.0 मिका पोर्सिलेन 6.0 — 7.5 स्लेट 1.5 — ३.०