誘電体とその特性、誘電体の分極と破壊強度

電気伝導率が無視できる物質（物体）は、誘電体または絶縁体と呼ばれます。

誘電体または不導体は、電気工学で使用される、実用的な目的にとって重要な物質の代表的なものです。これらは、電気回路を絶縁するだけでなく、電気機器に特別な特性を与える役割も果たし、それにより、その材料の体積と重量をより完全に活用できるようになります。

誘電体は、気体、液体、固体など、あらゆる集合状態の物質でありえます。実際には、空気、二酸化炭素、水素が、通常状態と圧縮状態の両方でガス状誘電体として使用されます。

これらのガスはすべてほぼ無限の抵抗を持っています。ガスの電気的特性は等方性です。液体物質、化学的に純水、多くの有機物質、天然および人工油（変圧器油、フクロウなど）。

液体誘電体にも等方性の特性があります。これらの物質の高い絶縁品質は、その純度に依存します。

例えば、変圧器油は空気中の水分を吸収すると絶縁性が低下します。実際に最も広く使用されているのは固体誘電体です。それらには、無機（磁器、石英、大理石、雲母、ガラスなど）由来の物質と有機（紙、琥珀、ゴム、さまざまな人工有機物質）由来の物質が含まれます。

これらの物質のほとんどは高い電気的および機械的特性を備えており、 電気製品の絶縁用内部および外部での使用を目的としています。

多くの物質は、常温だけでなく高温でも高い絶縁特性を維持します (シリコン、石英、シリコン、シリコン化合物)。固体および液体の誘電体にはある程度の自由電子が含まれているため、良好な誘電体の抵抗は約 1015 ～ 1016 オーム x m になります。

特定の条件下では、誘電体内で分子のイオンへの分離が発生します（たとえば、高温または強い場の影響下で）。この場合、誘電体は絶縁特性を失い、絶縁状態になります。 運転手.

誘電体には分極する性質があり、その中で長期間存在することが可能です。 静電界.

すべての誘電体の際立った特徴は、少数の誘電体の存在によって決定される、電流の通過に対する高い抵抗だけではありません。 電子、誘電体の体積全体を自由に移動しますが、分極と呼ばれる電場の作用下での特性の変化も起こります。分極は誘電体内の電場に大きな影響を与えます。

電気業務における誘電体の使用の主な例の 1 つは、電気機器の要素を地面から、また相互から絶縁することです。これにより、絶縁体の破壊により電気設備の通常の動作が妨げられ、事故が発生します。
これを避けるために、電気機械や設備の設計では、一方では誘電体内の電界強度がその絶縁耐力を超えないように、また他方ではこの絶縁がデバイスの個々の接続では、可能な限り完全に使用されます (過剰な在庫はありません)。
これを行うには、まずデバイス内で電界がどのように分布するかを知る必要があり、その後、適切な材料とその厚さを選択することで、上記の問題を十分に解決できます。

誘電分極

真空中に電場が生成される場合、特定の点における電場強度ベクトルの大きさと方向は、場を生成する電荷の大きさと位置にのみ依存します。誘電体内に場が生成されると、誘電体の分子内で物理的プロセスが発生し、電場に影響を与えます。

電場の力の作用により、軌道上の電子は電場とは反対の方向に移動します。その結果、それまで中性だった分子は、原子核と軌道上の電子に等しい電荷を持つ双極子になります。この現象は誘電分極と呼ばれます...場が消えると、変位も消えます。分子は再び電気的に中性に戻ります。

分極した分子 - 双極子は独自の電場を作成し、その方向は主（外部）場の方向と反対であるため、追加の場が主場の電場と結合して電場を弱めます。

誘電体の分極が大きくなるほど、結果として生じる磁場は弱くなり、主磁場を生成する同じ電荷のどの点でもその強度が低くなり、したがって、そのような誘電体の誘電率は大きくなります。

誘電体が交流電場にある場合、電子の移動も交流になります。このプロセスにより粒子の移動が増加し、誘電体の加熱につながります。

電界が頻繁に変化するほど、誘電体はより発熱します。実際には、この現象は、湿った材料を加熱して乾燥させたり、高温で化学反応を起こすために使用されます。

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極性誘電体と非極性誘電体

誘電体は実際には電気を通しませんが、電場の影響下ではその特性が変化します。分子の構造と電場の影響の性質に応じて、誘電体は無極性と極性（電子分極および配向分極を伴う）の 2 つのタイプに分類されます。

無極性誘電体では、電界中でない場合、電子は原子核の中心と一致する中心を持つ軌道を回転します。したがって、これらの電子の働きは、原子核の中心にあるマイナス電荷の働きとみなすことができます。正に荷電した粒子 (陽子) の作用中心は原子核の中心に集中しているため、宇宙空間では原子は電気的に中性であると認識されます。

これらの物質が静電場に導入されると、電子は場力の影響で移動し、電子と陽子の作用中心は一致しなくなります。宇宙空間では、この場合の原子は双極子として認識されます。つまり、原子の変位に等しい一定の小さな距離 a に互いに位置する 2 つの等しい異なる点電荷 -q と + q の系として認識されます。原子核の中心に対する電子軌道の中心。

このようなシステムでは、正電荷は場の強さの方向に移動し、負電荷はその逆の方向に移動することがわかります。外部場の強度が大きいほど、各分子内の電荷の相対的な変位が大きくなります。

場が消えると、電子は原子核に対する元の運動状態に戻り、誘電体は再び中性になります。場の影響下での誘電体の特性における上記の変化は、電子分極と呼ばれます。

極性誘電体では、分子は双極子です。カオス的な熱運動をしていると、双極子モーメントは常にその位置を変化させます。これは、個々の分子の双極子の場の補償につながり、誘電体の外側では、外部場が存在しないとき、巨視的な現象は存在しないという事実につながります。分野。

これらの物質が外部静電場にさらされると、双極子が回転し、その軸が場に沿って配置されます。この完全に秩序だった配置は、熱運動によって妨げられます。

電界強度が低い場合、双極子の回転のみが電界の方向に特定の角度で発生します。この角度は、電界の作用と熱運動の影響とのバランスによって決まります。

場の強度が増加すると、分子の回転が増加し、それに応じて偏光度も増加します。このような場合、双極子電荷間の距離 a は、場の強さの方向への双極子軸の投影の平均値によって決定されます。配向と呼ばれるこのタイプの分極に加えて、これらの誘電体には電荷の移動によって引き起こされる電子分極もあります。

上で説明した分極パターンは、気体、液体、固体などのすべての絶縁物質の基本です。分子間の平均距離が気体よりも小さい液体および固体誘電体では、原子核に対する電子軌道の中心の移動や極性双極子の回転に加えて、分極現象が複雑になります。分子間には相互作用もあります。

誘電体の塊では、個々の原子と分子は分極しているだけで、正と負に帯電したイオンに分割されないため、分極した誘電体の体積の各要素では、両方の符号の電荷が等しくなります。したがって、誘電体はその体積全体にわたって電気的に中性のままです。

例外は、誘電体の境界面に位置する分子の極の電荷です。このような電荷は、これらの表面に薄い帯電層を形成します。均質な媒質では、分極現象は双極子の調和配列として表すことができます。

誘電体の破壊強度

通常の状態では、誘電体は 無視できるほどの電気伝導率… この特性は、電界強度が各誘電体の特定の制限値まで増加するまで残ります。

強い電場では誘電体の分子がイオンに分裂し、弱い電場では誘電体であった物体が導体になります。

誘電体分子のイオン化が始まる電界の強さは、誘電体の絶縁破壊電圧（耐電圧）と呼ばれます。

誘電体を電気設備に使用する際に、その誘電体に許容される電界の強さの大きさを許容電圧といいます。 許容電圧は通常、遮断電圧の数分の1です。許容安全マージンに対するブレークダウン電圧の比率が決定されます... 最適な不導体 (誘電体) は真空とガス、特に高圧ではです。

絶縁破壊

絶縁破壊は、気体、液体、固体の物質で発生方法が異なり、誘電体の均質性、圧力、温度、湿度、誘電体の厚さなどの多くの条件に依存します。したがって、絶縁耐力の値を決定する際には、これらの条件が考慮されます。通常は条件が提供されます。

たとえば、密閉された部屋で大気の影響にさらされない材料を加工する場合、通常の条件が確立されます (たとえば、温度 + 20 °C、圧力 760 mm)。湿度も正常化し、場合によっては周波数なども正常化します。

ガスの電気強度は比較的低いです。したがって、通常の条件下での空気の破壊勾配は 30 kV / cm です。ガスの利点は、破壊後もすぐに絶縁特性が回復することです。

液体誘電体の耐電気強度はわずかに高くなります。液体の独特の特徴は、電流がワイヤを通過するときに加熱されるデバイスから熱をうまく除去することです。不純物、特に水が存在すると、液体誘電体の絶縁耐力が大幅に低下します。液体でも気体と同様に、絶縁特性は破壊後に回復します。

固体誘電体は、天然および人工の両方の幅広い種類の絶縁材料を代表します。これらの誘電体は、さまざまな電気的および機械的特性を持っています。

どの材料を使用するかは、特定の設備の断熱要件とその動作条件によって異なります。マイカ、ガラス、パラフィン、エボナイトのほか、各種繊維状・合成有機物質、ベークライト、ゲティナックスなど。高い耐電圧性が特徴です。

高い破壊勾配の要件に加えて、材料に高い機械的強度の要件が課せられる場合（たとえば、機械的応力から機器を保護するための支持絶縁体や吊り下げ絶縁体）、電気磁器が広く使用されます。

この表は、最も一般的な誘電体のいくつかの破壊強度値（通常の条件下および一定のゼロでの）を示しています。

絶縁破壊強さの値

材質 絶縁破壊電圧、kv / mm パラフィン含浸紙 10.0 ～ 25.0 空気 3.0 鉱物油 6.0 ～ 15.0 大理石 3.0 — 4.0 ミカナイト 15.0 — 20.0 電気段ボール 9.0 — 14.0 マイカ 80.0 — 200.0 ガラス 10.0 — 40.0 磁器 6.0 — 7 .5 スレート 1.5 — 3.0