Alcuni materiali utilizzati negli elettrodomestici e nei circuiti di alimentazione hanno proprietà dielettriche, ovvero hanno un'elevata resistenza alla corrente. Questa capacità consente loro di non far passare la corrente e quindi vengono utilizzati per creare isolamento per le parti che trasportano corrente. I materiali isolanti elettrici sono progettati non solo per separare le parti che trasportano corrente, ma anche per creare protezione contro gli effetti pericolosi della corrente elettrica. Ad esempio, i cavi di alimentazione degli apparecchi elettrici sono ricoperti da un isolamento.
Materiali isolanti elettrici e loro applicazioni
I materiali isolanti elettrici sono ampiamente utilizzati nell'industria, nella produzione di radio e strumenti e nello sviluppo di reti elettriche. Il normale funzionamento di un apparecchio elettrico o la sicurezza di un circuito di alimentazione dipendono in gran parte dadielettrici usati. Alcuni parametri di un materiale destinato all'isolamento elettrico ne determinano la qualità e le capacità.
L'uso di materiali isolanti è soggetto alle norme di sicurezza. L'integrità dell'isolamento è la chiave per lavorare in sicurezza con la corrente elettrica. È molto pericoloso utilizzare dispositivi con isolamento danneggiato. Anche una leggera corrente elettrica può avere un effetto sul corpo umano.
Proprietà dei dielettrici
I materiali isolanti elettrici devono avere determinate proprietà per svolgere le loro funzioni. La principale differenza tra dielettrici e conduttori è la resistività di grande volume (109–1020 ohm cm). La conduttività elettrica dei conduttori rispetto ai dielettrici è 15 volte maggiore. Ciò è dovuto al fatto che gli isolanti per loro natura hanno molte volte meno ioni ed elettroni liberi, che forniscono la conduttività corrente del materiale. Ma quando il materiale viene riscaldato, ce ne sono di più, il che contribuisce ad aumentare la conduttività elettrica.
Distinguere tra proprietà attive e passive dei dielettrici. Per i materiali isolanti, le proprietà passive sono le più importanti. La costante dielettrica del materiale dovrebbe essere la più bassa possibile. Ciò consente all'isolatore di non introdurre capacità parassite nel circuito. Per il materiale utilizzato come dielettrico di un condensatore, la costante dielettrica dovrebbe, al contrario, essere la più grande possibile.
Opzioni di isolamento
Ai parametri principalil'isolamento elettrico include la rigidità elettrica, la resistività elettrica, la permittività relativa, l'angolo di perdita dielettrico. Quando si valutano le proprietà di isolamento elettrico del materiale, viene presa in considerazione anche la dipendenza delle caratteristiche elencate dalle grandezze della corrente elettrica e della tensione.
I prodotti ei materiali isolanti elettrici hanno una maggiore resistenza elettrica rispetto a conduttori e semiconduttori. Importante anche per il dielettrico è la stabilità di valori specifici durante il riscaldamento, l'aumento della tensione e altri cambiamenti.
Classificazione dei materiali dielettrici
A seconda della potenza della corrente che passa attraverso il conduttore, vengono utilizzati diversi tipi di isolamento, che differiscono nelle loro capacità.
Secondo quali parametri sono suddivisi i materiali isolanti elettrici? La classificazione dei dielettrici si basa sul loro stato di aggregazione (solido, liquido e gassoso) e di origine (organico: naturale e sintetico, inorganico: naturale e artificiale). Il tipo più comune di dielettrico solido, che può essere visto sui cavi degli elettrodomestici o di qualsiasi altro apparecchio elettrico.
I dielettrici solidi e liquidi, a loro volta, sono divisi in sottogruppi. I dielettrici solidi includono tessuti verniciati, laminati e vari tipi di mica. Cere, oli e gas liquefatti sono materiali isolanti elettrici liquidi. Dielettrici gassosi speciali sono usati molto meno frequentemente. Questo tipo include anchel'isolante elettrico naturale è l'aria. Il suo utilizzo è dovuto non solo alle caratteristiche dell'aria, che lo rendono un ottimo dielettrico, ma anche alla sua economia. L'uso dell'aria come isolante non richiede costi aggiuntivi per il materiale.
Dielettrico solido
I materiali isolanti elettrici solidi sono la classe più ampia di dielettrici utilizzati in vari campi. Hanno diverse proprietà chimiche e la costante dielettrica varia da 1 a 50.000.
I dielettrici solidi sono divisi in non polari, polari e ferroelettrici. Le loro principali differenze sono nei meccanismi di polarizzazione. Questa classe di isolamento ha proprietà come resistenza chimica, resistenza al tracciamento, resistenza dendritica. La resistenza chimica si esprime nella capacità di resistere all'influenza di vari ambienti aggressivi (acidi, alcali, ecc.). La resistenza di tracciamento determina la capacità di resistere agli effetti di un arco elettrico e la resistenza dendritica determina la formazione di dendriti.
I dielettrici solidi sono utilizzati in vari campi dell'energia. Ad esempio, i materiali isolanti elettrici in ceramica sono più comunemente usati come isolanti di linee e boccole nelle sottostazioni. Carta, polimeri, fibra di vetro sono usati come isolanti per gli elettrodomestici. Per macchine e dispositivi, vengono spesso utilizzati vernici, cartone e composti.
Per l'uso in varie condizioni operative, l'isolamento riceve alcune proprietà speciali combinando diversemateriali: resistenza al calore, resistenza all'umidità, resistenza alle radiazioni e resistenza al gelo. Gli isolanti resistenti al calore sono in grado di resistere a temperature fino a 700 °C, questi includono vetri e materiali a base di essi, organosiliti e alcuni polimeri. Il materiale resistente all'umidità e ai tropici è fluoroplastico, non igroscopico e idrofobo.
L'isolamento resistente alle radiazioni viene utilizzato nei dispositivi con elementi atomici. Comprende film inorganici, alcuni tipi di polimeri, fibra di vetro e materiali a base di mica. I resistenti al gelo sono isolanti che non perdono le loro proprietà a temperature fino a -90°C. Requisiti speciali sono imposti all'isolamento destinato ai dispositivi che funzionano nello spazio o in condizioni di vuoto. Per questi scopi vengono utilizzati materiali a tenuta di vuoto, tra cui ceramiche speciali.
Dielettrici liquidi
I materiali isolanti elettrici liquidi sono spesso utilizzati nelle macchine e negli apparecchi elettrici. L'olio svolge il ruolo di isolamento in un trasformatore. I dielettrici liquidi includono anche gas liquefatti, vaselina insaturi e oli di paraffina, poliorganosilossani, acqua distillata (purificata da sali e impurità).
Le caratteristiche principali dei dielettrici liquidi sono la costante dielettrica, la rigidità elettrica e la conduttività elettrica. Inoltre, i parametri elettrici dei dielettrici dipendono in gran parte dal grado della loro purificazione. Le impurità solide possono aumentare la conduttività elettrica dei liquidi a causa della crescita di ioni ed elettroni liberi. Purificazione di liquidi mediante distillazione, scambio ionico, ecc. porta ad un aumento della resistenza elettrica del materiale, riducendo così la sua conduttività elettrica.
I dielettrici liquidi sono divisi in tre gruppi:
- oli di petrolio;
- oli vegetali;
- fluidi sintetici.
Gli oli più comunemente usati sono oli di petrolio come oli per trasformatori, cavi e condensatori. I fluidi sintetici (composti organosilicio e organofluorurati) sono utilizzati anche nell'ingegneria degli apparati. Ad esempio, i composti di organosilicio sono resistenti al gelo e igroscopici, quindi sono usati come isolanti nei piccoli trasformatori, ma il loro costo è superiore al prezzo degli oli di petrolio.
Gli oli vegetali non sono praticamente utilizzati come materiali isolanti nella tecnologia di isolamento elettrico. Questi includono olio di ricino, semi di lino, canapa e tung. Questi materiali sono dielettrici debolmente polari e vengono utilizzati principalmente per impregnare condensatori di carta e come agente filmogeno in vernici, pitture e sm alti isolanti elettrici.
Dielettrici del gas
I dielettrici gassosi più comuni sono aria, azoto, idrogeno e gas SF6. I gas isolanti elettrici si dividono in naturali e artificiali. L'aria naturale viene utilizzata come isolamento tra le parti che trasportano corrente delle linee elettriche e delle macchine elettriche. Come isolante, l'aria presenta degli svantaggi che ne rendono impossibile l'utilizzo in dispositivi sigillati. A causa della presenza di un'elevata concentrazione di ossigeno, l'aria è un agente ossidante e in campi disomogenei appare una bassa forza elettrica dell'aria.
I trasformatori di potenza ei cavi ad alta tensione utilizzano l'azoto come isolante. L'idrogeno, oltre ad essere un materiale elettricamente isolante, è anche un raffreddamento forzato, motivo per cui viene spesso utilizzato nelle macchine elettriche. Nelle installazioni sigillate, viene spesso utilizzato SF6. Il riempimento con gas SF6 rende il dispositivo a prova di esplosione. Viene utilizzato negli interruttori di alta tensione grazie alle sue proprietà di estinzione dell'arco.
Dielettrici organici
I materiali dielettrici organici si dividono in naturali e sintetici. I dielettrici organici naturali sono attualmente usati molto raramente, poiché la produzione di quelli sintetici si sta espandendo sempre di più, riducendone così i costi.
Per i dielettrici organici naturali sono inclusi cellulosa, gomma, paraffina e oli vegetali (olio di ricino). La maggior parte dei dielettrici organici sintetici sono varie materie plastiche ed elastomeri spesso utilizzati negli elettrodomestici e in altre apparecchiature.
Dielettrici inorganici
I materiali dielettrici inorganici si dividono in naturali e artificiali. Il più comune dei materiali naturali è la mica, che ha resistenza chimica e termica. La flogopite e la muscovite sono utilizzate anche per l'isolamento elettrico.
A artificiale inorganicoi dielettrici includono vetro e materiali basati su di esso, nonché porcellana e ceramica. A seconda dell'applicazione, al dielettrico artificiale possono essere attribuite proprietà speciali. Ad esempio, la ceramica feldspatica viene utilizzata per le boccole, che hanno un'elevata perdita dielettrica tangente.
Materiali isolanti elettrici fibrosi
I materiali fibrosi vengono spesso utilizzati per l'isolamento di apparecchiature e macchine elettriche. Questi includono materiali di origine vegetale (gomma, cellulosa, tessuti), tessuti sintetici (nylon, capron), nonché materiali in polistirene, poliammide, ecc.
I materiali fibrosi organici sono altamente igroscopici, quindi sono usati raramente senza un'impregnazione speciale.
Di recente, al posto dei materiali organici, sono stati utilizzati isolanti in fibra sintetica, che hanno un livello di resistenza al calore più elevato. Questi includono fibra di vetro e amianto. La fibra di vetro è impregnata con varie vernici e resine per aumentarne le proprietà idrofobiche. La fibra di amianto ha una bassa resistenza meccanica, quindi la fibra di cotone viene spesso aggiunta ad essa.
