Neki materijali koji se koriste u električnim uređajima i strujnim krugovima imaju dielektrična svojstva, odnosno imaju visoku otpornost na struju. Ova sposobnost im omogućuje da ne prolaze struju, pa se stoga koriste za stvaranje izolacije dijelova koji nose struju. Električni izolacijski materijali dizajnirani su ne samo za odvajanje dijelova koji nose struju, već i za stvaranje zaštite od opasnih učinaka električne struje. Na primjer, strujni kabeli električnih uređaja prekriveni su izolacijom.
Električni izolacijski materijali i njihova primjena
Elektroizolacijski materijali imaju široku primjenu u industriji, izradi radija i instrumenata, te razvoju električnih mreža. Normalan rad električnog uređaja ili sigurnost strujnog kruga uvelike ovisi okorišteni dielektrici. Neki parametri materijala namijenjenog za električnu izolaciju određuju njegovu kvalitetu i mogućnosti.
Upotreba izolacijskih materijala podliježe sigurnosnim propisima. Integritet izolacije ključ je sigurnog rada s električnom strujom. Vrlo je opasno koristiti uređaje s oštećenom izolacijom. Čak i mala električna struja može utjecati na ljudsko tijelo.
Svojstva dielektrika
Elektroizolacijski materijali moraju imati određena svojstva kako bi mogli obavljati svoje funkcije. Glavna razlika između dielektrika i vodiča je velika volumna otpornost (109-1020 ohm cm). Električna vodljivost vodiča u usporedbi s dielektricima je 15 puta veća. To je zbog činjenice da izolatori po svojoj prirodi imaju nekoliko puta manje slobodnih iona i elektrona, koji osiguravaju strujnu vodljivost materijala. Ali kada se materijal zagrije, ima ih više, što doprinosi povećanju električne vodljivosti.
Razlikujte aktivna i pasivna svojstva dielektrika. Za izolacijske materijale najvažnija su pasivna svojstva. Dielektrična konstanta materijala treba biti što niža. To omogućuje izolatoru da ne uvodi parazitske kapacitete u krug. Za materijal koji se koristi kao dielektrik kondenzatora, dielektrična konstanta bi, naprotiv, trebala biti što veća.
Opcije izolacije
Na glavne parametreelektrična izolacija uključuje električnu čvrstoću, električnu otpornost, relativnu permitivnost, kut dielektričnog gubitka. Prilikom procjene elektroizolacijskih svojstava materijala uzima se u obzir i ovisnost navedenih karakteristika o veličinama električne struje i napona.
Elektroizolacijski proizvodi i materijali imaju veću električnu čvrstoću u usporedbi s vodičima i poluvodičima. Za dielektrik je također važna stabilnost specifičnih vrijednosti tijekom zagrijavanja, porasta napona i drugih promjena.
Klasifikacija dielektričnih materijala
Ovisno o snazi struje koja prolazi kroz vodič, koriste se različite vrste izolacije koje se razlikuju po svojim mogućnostima.
Prema kojim parametrima se dijele električni izolacijski materijali? Klasifikacija dielektrika temelji se na njihovom agregacijskom stanju (čvrsto, tekuće i plinovito) i podrijetlu (organsko: prirodno i sintetsko, anorgansko: prirodno i umjetno). Najčešći tip čvrstog dielektrika, koji se može vidjeti na kabelima kućanskih aparata ili bilo kojeg drugog električnog uređaja.
Čvrsti i tekući dielektrici su pak podijeljeni u podskupine. Čvrsti dielektrici uključuju lakirane tkanine, laminate i razne vrste liskuna. Voskovi, ulja i ukapljeni plinovi tekući su električni izolacijski materijali. Posebni plinoviti dielektrici koriste se mnogo rjeđe. Ova vrsta također uključujeprirodni električni izolator je zrak. Njegova uporaba nije samo zbog karakteristika zraka, koje ga čine izvrsnim dielektrikom, već i zbog njegove ekonomičnosti. Upotreba zraka kao izolacije ne zahtijeva dodatne materijalne troškove.
Čvrsti dielektrici
Čvrsti električni izolacijski materijali najšira su klasa dielektrika koji se koriste u raznim područjima. Imaju različita kemijska svojstva, a dielektrična konstanta se kreće od 1 do 50 000.
Čvrsti dielektrici se dijele na nepolarne, polarne i feroelektrike. Njihove glavne razlike su u mehanizmima polarizacije. Ova klasa izolacije ima svojstva poput kemijske otpornosti, otpornosti na praćenje, dendritske otpornosti. Kemijska otpornost se izražava u sposobnosti da izdrži utjecaj različitih agresivnih sredina (kiselina, lužina, itd.). Otpor praćenja određuje sposobnost da se izdrži učinak električnog luka, a dendritski otpor određuje stvaranje dendrita.
Čvrsti dielektrici koriste se u raznim poljima energije. Na primjer, keramički električni izolacijski materijali najčešće se koriste kao izolatori vodova i izolatora u trafostanicama. Papir, polimeri, stakloplastike koriste se kao izolacija za električne uređaje. Za strojeve i uređaje najčešće se koriste lakovi, karton, spojevi.
Za korištenje u različitim radnim uvjetima, izolaciji se daju neka posebna svojstva kombinacijom različitihmaterijali: otpornost na toplinu, otpornost na vlagu, otpornost na zračenje i otpornost na mraz. Izolatori otporni na toplinu mogu izdržati temperature do 700 °C, to uključuje stakla i materijale na njihovoj osnovi, organosilite i neke polimere. Materijal otporan na vlagu i tropski utjecaj je fluoroplast, koji nije higroskopan i hidrofoban.
Izolacija otporna na zračenje koristi se u uređajima s atomskim elementima. Uključuje anorganske filmove, neke vrste polimera, stakloplastike i materijale na bazi liskuna. Otporne na mraz su izolacije koje ne gube svojstva na temperaturama do -90 °C. Posebni zahtjevi postavljaju se na izolaciju namijenjenu uređajima koji rade u svemirskim ili vakuumskim uvjetima. U te svrhe koriste se vakuumski nepropusni materijali, koji uključuju posebnu keramiku.
Tekući dielektrici
Tekući električni izolacijski materijali često se koriste u električnim strojevima i aparatima. Ulje ima ulogu izolacije u transformatoru. Tekući dielektrici također uključuju ukapljene plinove, nezasićena vazelinska i parafinska ulja, poliorganosiloksane, destiliranu vodu (pročišćenu od soli i nečistoća).
Glavne karakteristike tekućih dielektrika su dielektrična konstanta, električna čvrstoća i električna vodljivost. Također, električni parametri dielektrika uvelike ovise o stupnju njihova pročišćavanja. Čvrste nečistoće mogu povećati električnu vodljivost tekućina zbog rasta slobodnih iona i elektrona. Pročišćavanje tekućina destilacijom, ionskom izmjenom itd. dovodi do povećanja električne čvrstoće materijala, čime se smanjuje njegova električna vodljivost.
Tekući dielektrici podijeljeni su u tri skupine:
- naftna ulja;
- biljna ulja;
- sintetičke tekućine.
Najčešće korištena ulja su naftna ulja kao što su ulja za transformatore, kabele i kondenzatore. Sintetičke tekućine (organosilicij i organofluorovi spojevi) također se koriste u inženjerstvu aparata. Na primjer, organosilicijevi spojevi otporni su na mraz i higroskopni, pa se koriste kao izolator u malim transformatorima, ali njihova cijena je veća od cijene naftnih ulja.
Bilna ulja se praktički ne koriste kao izolacijski materijali u tehnologiji električne izolacije. To uključuje ricinusovo, laneno, konopljino i tungovo ulje. Ovi materijali su slabo polarni dielektrici i uglavnom se koriste za impregniranje papirnih kondenzatora i kao sredstvo za stvaranje filma u električnim izolacijskim lakovima, bojama i emajlima.
Plinski dielektrici
Najčešći plinoviti dielektrici su zrak, dušik, vodik i plin SF6. Električni izolacijski plinovi se dijele na prirodne i umjetne. Prirodni zrak koristi se kao izolacija između strujnih dijelova dalekovoda i električnih strojeva. Kao izolator, zrak ima nedostatke zbog kojih se ne može koristiti u zatvorenim uređajima. Zbog prisutnosti visoke koncentracije kisika, zrak je oksidacijsko sredstvo, au nehomogenim poljima javlja se niska električna jakost zraka.
Strojni transformatori i visokonaponski kabeli koriste dušik kao izolaciju. Vodik je, osim što je električno izolacijski materijal, i prisilno hlađenje, zbog čega se često koristi u električnim strojevima. U zatvorenim instalacijama najčešće se koristi SF6. Punjenje SF6 plinom čini uređaj otpornim na eksploziju. Koristi se u visokonaponskim prekidačima zbog svojih svojstava gašenja luka.
Organski dielektrici
Organski dielektrični materijali dijele se na prirodne i sintetičke. Prirodni organski dielektrici trenutno se koriste iznimno rijetko, jer se proizvodnja sintetičkih sve više širi, čime se smanjuje njihova cijena.
U prirodne organske dielektrike spadaju celuloza, guma, parafin i biljna ulja (ricinusovo ulje). Većina sintetičkih organskih dielektrika su razne plastike i elastomeri koji se često koriste u električnim kućanskim aparatima i drugoj opremi.
Anorganski dielektrici
Anorganski dielektrični materijali dijele se na prirodne i umjetne. Najčešći od prirodnih materijala je liskun, koji ima kemijsku i toplinsku otpornost. Flogopit i muskovit se također koriste za električnu izolaciju.
Za umjetno anorganskodielektrici uključuju staklo i materijale na njemu, kao i porculan i keramiku. Ovisno o primjeni, umjetni dielektrik može dobiti posebna svojstva. Na primjer, feldspat keramika se koristi za čahure, koje imaju visok tangent dielektričnog gubitka.
Vlaknasti električni izolacijski materijali
Vlaknasti materijali se često koriste za izolaciju u električnim aparatima i strojevima. To uključuje materijale biljnog porijekla (guma, celuloza, tkanine), sintetički tekstil (najlon, kapron), kao i materijale od polistirena, poliamida, itd.
Organski vlaknasti materijali su vrlo higroskopni, pa se rijetko koriste bez posebne impregnacije.
U posljednje vrijeme umjesto organskih materijala koriste se izolacije od sintetičkih vlakana, koji imaju višu razinu otpornosti na toplinu. To uključuje staklena vlakna i azbest. Staklena vlakna su impregnirana raznim lakovima i smolama kako bi se povećala njegova hidrofobna svojstva. Azbestna vlakna imaju nisku mehaničku čvrstoću, pa im se često dodaju pamučna vlakna.
