Les diélectriques et leurs propriétés, la polarisation et la résistance au claquage des diélectriques

Les substances (corps) à conductivité électrique négligeable sont appelées diélectriques ou isolants.

Les diélectriques ou non-conducteurs représentent une grande classe de substances utilisées en génie électrique qui sont importantes à des fins pratiques. Ils servent à isoler les circuits électriques, ainsi qu'à donner des propriétés particulières aux appareils électriques, qui permettent une utilisation plus complète du volume et du poids des matériaux à partir desquels ils sont fabriqués.

Les diélectriques peuvent être des substances dans tous les états agrégés : gazeux, liquide et solide. En pratique, l'air, le dioxyde de carbone, l'hydrogène sont utilisés comme diélectriques gazeux aussi bien à l'état normal qu'à l'état comprimé.

Tous ces gaz ont une résistance presque infinie. Les propriétés électriques des gaz sont isotropes. À partir de substances liquides, d'eau chimiquement pure, de nombreuses substances organiques, d'huiles naturelles et artificielles (huile de transformateur, chouette, etc.).

Les diélectriques liquides ont également des propriétés isotropes.Les hautes qualités isolantes de ces substances dépendent de leur pureté.

Par exemple, les propriétés isolantes de l'huile de transformateur diminuent lorsque l'humidité de l'air est absorbée. Les diélectriques solides sont les plus utilisés en pratique. Ils comprennent des substances d'origine inorganique (porcelaine, quartz, marbre, mica, verre, etc.) et organique (papier, ambre, caoutchouc, diverses substances organiques artificielles).

La plupart de ces substances ont des propriétés électriques et mécaniques élevées et sont utilisées pour l'isolation des appareils électriquesdestiné à un usage interne et externe.

Un certain nombre de substances conservent leurs propriétés isolantes élevées non seulement à des températures normales mais aussi à des températures élevées (silicium, quartz, composés de silicium et de silicium). Les diélectriques solides et liquides ont une certaine quantité d'électrons libres, c'est pourquoi la résistance d'un bon diélectrique est d'environ 1015 - 1016 ohm x m.

Dans certaines conditions, la séparation des molécules en ions se produit dans les diélectriques (par exemple, sous l'influence d'une température élevée ou dans un champ fort), dans ce cas les diélectriques perdent leurs propriétés isolantes et deviennent Conducteurs.

Les diélectriques ont la propriété d'être polarisés et une existence à long terme est possible en eux. champ électrostatique.

Une caractéristique distinctive de tous les diélectriques n'est pas seulement la résistance élevée au passage du courant électrique, déterminée par la présence en eux d'un petit nombre électrons, se déplaçant librement dans tout le volume du diélectrique, mais aussi une modification de leurs propriétés sous l'action d'un champ électrique, appelée polarisation. La polarisation a un effet important sur le champ électrique dans un diélectrique.

L'un des principaux exemples d'utilisation de diélectriques dans la pratique électrique est l'isolement des éléments d'appareils électriques du sol et les uns des autres, en raison duquel la destruction de l'isolation perturbe le fonctionnement normal des installations électriques et entraîne des accidents.
Pour éviter cela, lors de la conception des machines et installations électriques, l'isolation des éléments individuels est choisie de telle sorte que, d'une part, l'intensité du champ dans les diélectriques ne dépasse nulle part leur rigidité diélectrique, et d'autre part, cette isolation dans les connexions individuelles des appareils est utilisé aussi pleinement que possible (pas de stock excédentaire).
Pour ce faire, il faut d'abord savoir comment le champ électrique est réparti dans l'appareil, puis, en choisissant les matériaux appropriés et leur épaisseur, le problème ci-dessus peut être résolu de manière satisfaisante.

Polarisation diélectrique

Si un champ électrique est créé dans le vide, l'amplitude et la direction du vecteur d'intensité de champ en un point donné ne dépendent que de l'amplitude et de l'emplacement des charges qui créent le champ. Si le champ est créé dans n'importe quel diélectrique, des processus physiques se produisent dans les molécules de ce dernier qui affectent le champ électrique.

Sous l'action des forces du champ électrique, les électrons en orbite sont déplacés dans la direction opposée au champ. En conséquence, des molécules auparavant neutres deviennent des dipôles avec des charges égales sur le noyau et des électrons sur les orbites. Ce phénomène s'appelle la polarisation diélectrique... Lorsque le champ disparaît, le déplacement disparaît également. Les molécules redeviennent électriquement neutres.

Molécules polarisées - les dipôles créent leur propre champ électrique, dont la direction est opposée à la direction du champ principal (externe), donc le champ supplémentaire, se combinant avec le champ principal, l'affaiblit.

Plus le diélectrique est polarisé, plus le champ résultant est faible, plus son intensité est faible en tout point pour les mêmes charges qui créent le champ principal, et donc la constante diélectrique d'un tel diélectrique est plus grande.

Si le diélectrique est dans un champ électrique alternatif, le déplacement des électrons devient également alternatif. Ce processus conduit à une augmentation du mouvement des particules et donc à un échauffement du diélectrique.

Plus le champ électrique change souvent, plus le diélectrique s'échauffe. En pratique, ce phénomène est utilisé pour chauffer des matériaux humides pour les sécher ou pour obtenir des réactions chimiques qui se produisent à des températures élevées.

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Diélectriques polaires et non polaires

Bien que les diélectriques ne conduisent pratiquement pas l'électricité, néanmoins, sous l'influence d'un champ électrique, ils changent leurs propriétés. En fonction de la structure des molécules et de la nature de l'effet du champ électrique sur elles, les diélectriques sont divisés en deux types: non polaire et polaire (avec polarisation électronique et orientationnelle).

Dans les diélectriques non polaires, sinon dans un champ électrique, les électrons tournent sur des orbites dont le centre coïncide avec le centre du noyau. Par conséquent, l'action de ces électrons peut être vue comme l'action de charges négatives situées au centre du noyau.Étant donné que les centres d'action des particules chargées positivement - les protons - sont concentrés au centre du noyau, dans l'espace, l'atome est perçu comme électriquement neutre.

Lorsque ces substances sont introduites dans le champ électrostatique, les électrons se déplacent sous l'influence des forces du champ et les centres d'action des électrons et des protons ne coïncident pas. Dans l'espace extra-atmosphérique, l'atome dans ce cas est perçu comme un dipôle, c'est-à-dire comme un système de deux charges ponctuelles différentes égales -q et + q, situées l'une de l'autre à une certaine petite distance a, égale au déplacement du centre de l'orbite électronique par rapport au centre du noyau.

Dans un tel système, la charge positive s'avère être déplacée dans le sens de l'intensité du champ, le négatif dans le sens opposé. Plus la force du champ externe est grande, plus le déplacement relatif des charges dans chaque molécule est important.

Lorsque le champ disparaît, les électrons retournent à leurs états de mouvement d'origine par rapport au noyau atomique et le diélectrique redevient neutre. La modification ci-dessus des propriétés d'un diélectrique sous l'influence d'un champ est appelée polarisation électronique.

Dans les diélectriques polaires, les molécules sont des dipôles. Étant en mouvement thermique chaotique, le moment dipolaire change constamment de position, ce qui conduit à la compensation des champs des dipôles des molécules individuelles et au fait qu'en dehors du diélectrique, lorsqu'il n'y a pas de champ extérieur, il n'y a pas de champ macroscopique. champ.

Lorsque ces substances sont exposées à un champ électrostatique externe, les dipôles tournent et positionnent leurs axes le long du champ. Cet agencement entièrement ordonné sera entravé par le mouvement thermique.

À faible intensité de champ, seule la rotation des dipôles se produit à un certain angle dans la direction du champ, qui est déterminé par l'équilibre entre l'action du champ électrique et l'effet du mouvement thermique.

Lorsque l'intensité du champ augmente, la rotation des molécules et, par conséquent, le degré de polarisation augmentent. Dans de tels cas, la distance a entre les charges dipolaires est déterminée par la valeur moyenne des projections des axes dipolaires sur la direction de l'intensité du champ. En plus de ce type de polarisation, dite orientationnelle, il existe également une polarisation électronique dans ces diélectriques provoquée par le déplacement des charges.

Les diagrammes de polarisation décrits ci-dessus sont fondamentaux pour toutes les substances isolantes : gazeuses, liquides et solides. Dans les diélectriques liquides et solides, où les distances moyennes entre molécules sont plus petites que dans les gaz, le phénomène de polarisation est compliqué, car outre le déplacement du centre de l'orbite électronique par rapport au noyau ou la rotation des dipôles polaires, il y a aussi une interaction entre les molécules.

Étant donné que dans la masse d'un diélectrique, les atomes et les molécules individuels ne sont que polarisés et ne se décomposent pas en ions chargés positivement et négativement, dans chaque élément du volume d'un diélectrique polarisé, les charges des deux signes sont égales. Par conséquent, le diélectrique dans tout son volume reste électriquement neutre.

Les exceptions sont les charges des pôles des molécules situées sur les surfaces limites du diélectrique. De telles charges forment de fines couches chargées sur ces surfaces. Dans un milieu homogène, le phénomène de polarisation peut être représenté comme un arrangement harmonique de dipôles.

La résistance au claquage des diélectriques

Dans des conditions normales, le diélectrique a conductivité électrique négligeable… Cette propriété demeure jusqu'à ce que l'intensité du champ électrique soit augmentée jusqu'à une certaine valeur limite pour chaque diélectrique.

Dans un champ électrique fort, les molécules du diélectrique se divisent en ions, et le corps, qui était diélectrique dans un champ faible, devient conducteur.

La force du champ électrique à laquelle commence l'ionisation des molécules diélectriques est appelée tension de claquage (force électrique) du diélectrique.

C'est ce qu'on appelle l'amplitude de l'intensité du champ électrique autorisée dans un diélectrique lorsqu'il est utilisé dans des installations électriques tension admissible... La tension admissible est généralement plusieurs fois inférieure à la tension de coupure. Le rapport entre la tension de claquage et la marge de sécurité admissible est déterminé... Les meilleurs non-conducteurs (diélectriques) sont le vide et les gaz, en particulier à haute pression.

Défaillance diélectrique

La rupture se produit différemment dans les substances gazeuses, liquides et solides et dépend de plusieurs conditions : de l'homogénéité du diélectrique, de la pression, de la température, de l'humidité, de l'épaisseur du diélectrique, etc. Par conséquent, lors de la détermination de la valeur de la rigidité diélectrique, ces conditions sont généralement fournies.

Pour les matériaux travaillant, par exemple, dans des pièces fermées et non exposées aux influences atmosphériques, des conditions normales sont établies (par exemple, température + 20 ° C, pression 760 mm). L'humidité se normalise également, parfois la fréquence, etc.

Les gaz ont une résistance électrique relativement faible. Ainsi, le gradient de claquage de l'air dans des conditions normales est de 30 kV / cm.L'avantage des gaz est qu'après leur destruction, leurs propriétés isolantes sont rapidement restaurées.

Les diélectriques liquides ont une rigidité électrique légèrement supérieure. Une caractéristique distinctive des liquides est la bonne évacuation de la chaleur des appareils qui sont chauffés lorsque le courant passe à travers les fils. La présence d'impuretés, notamment d'eau, réduit significativement la tenue diélectrique des diélectriques liquides. Dans les liquides, comme dans les gaz, leurs propriétés isolantes sont restaurées après destruction.

Les diélectriques solides représentent une large classe de matériaux isolants, à la fois naturels et artificiels. Ces diélectriques ont une grande variété de propriétés électriques et mécaniques.

L'utilisation de tel ou tel matériau dépend des exigences d'isolation de l'installation considérée et des conditions de son fonctionnement. Mica, verre, paraffine, ébonite, ainsi que diverses substances organiques fibreuses et synthétiques, bakélite, getinax, etc. Ils se caractérisent par une résistance électrique élevée.

Si, en plus de l'exigence d'un gradient de claquage élevé, une exigence de résistance mécanique élevée est imposée au matériau (par exemple, dans les isolateurs de support et de suspension, pour protéger les équipements des contraintes mécaniques), la porcelaine électrique est largement utilisée.

Le tableau montre les valeurs de résistance au claquage (dans des conditions normales et à zéro constant constant) de certains des diélectriques les plus courants.

Valeurs de résistance au claquage diélectrique

Tension de panne du matériau, papier KV / mm imprégné de paraffine 10.0-25.0 Air 3.0 Huile minérale 6.0 -15.0 Marble 3.0 - 4.0 Mikanite 15,0 - 20,0 Cardboard électrique 9 .0 - 14,0 mica 80,0 - 200,0 Glass 10.0 - 40,0 Porcelaine 6.0 - 7,5 Slate 1.5 — 3,0