background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

Materiały dielektryczne stosowane w elektrotechnice 

 

Ogólny podział materiałów stosowanych    w elektrotechnice 
 

Podstawowym  kryterium  podziału  materiałów  stosowanych                        w  elektrotechnice  jest 
przewodnictwo elektryczne.    
Ze względu na przewodnictwo materiały dzielimy na:  



 

przewodniki, 

 



 

półprzewodniki, 

 



 

dielektryki.

 

 
Przewodnictwo  elektryczne  związane  jest  ze  strukturą  materiału.  Strukturę  opisano 
poziomami  energetycznymi.  Przewodnictwo  elektryczne  występuje  gdy  elektrony  z pasma 
walencyjnego (podstawowego) znajdą się w paśmie przewodnictwa.  
W dielektrykach i półprzewodnikach pasma te są oddzielone pasmem zabronionym. 

 

 
Polaryzacja  elektryczna  określa  własne  pole  elektryczne                                        w  dielektryku, 
skierowane  przeciwnie  do  pola  zewnętrznego.  Natężenie  pola  elektrycznego  E  i  wektor 
indukcji elektrycznej D są związane          z polaryzacją elektryczną zależnością: 

 gdzie: 

εεεε

0 = 8,85-12      , 

εεεε

0 - przenikalność elektryczna próżni. 

 

Klasyfikacja materiałów dielektrycznych 

 

Podstawowe kryteria podziału materiałów dielektrycznych: 



 

podział wg podstawowych charakterystyk, 

 



 

podział wg zastosowań i podstawowych wymagań materiałowych,

 



 

podział wg stanu skupienia i budowy materiału.

 

 
 
 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

Podział wg podstawowych charakterystyk 

 Podział ten jest dokonywany na podstawie następujących cech materiałowych: 



 

  przenikalność elektryczna 

εεεε

r

 



 

  współczynnik stratności tg

δδδδ

,

 



 

  odporność cieplna,

 



 

  higroskopijność

 

 

 

 
Stratność dielektryczna  
Straty  w  dielektryku  polegają  na  zamianie  energii  pola  elektrycznego  na  ciepło.  Straty  te 
spowodowane  są  procesem  przesuwania  ładunków  związanych  przy  tworzeniu  i  zanikaniu 
dipoli  (dielektryki  neutralne)  oraz  ich  orientowaniu  w  polu  (dielektryki  polarne).  Proces  ten 
powoduje przede wszystkim zmniejszenie szybkości polaryzacji, stąd też wszystkie przebiegi 
polaryzacji  charakteryzują  się  zwiększoną  stratnością.  Wszystkie  defekty  budowy  ciała 
sprzyjają  powstawaniu  strat  dielektrycznych,  a  w  szczególności  występujące  tam,  gdzie 
budowę  dielektryka  charakteryzuje  nieścisłe  wypełnienie  przestrzeni  przez  jony,  atomy  i 
cząsteczki.  
 
Współczynnik stratności dielektrycznej tg

δδδδ

 

Stratność dielektryczna występuje w postaci przepływu prądu elektrycznego przez dielektryk 
izolujący przewody wiodące prąd zmienny. Kondensator C przedstawia oporność bierną Xc w 
dielektryka,  a  opór  R  służy  do  zobrazowania  jego  strat  cieplnych.  Straty  te  są  wywołane 
zmianami polaryzacji. Doprowadzenie napięcia U do układu powoduje rozpływ prądów przez 
pojemność  IC  i  oporność  czynną  IR.  Stosunek  prądów          wyraża  tzw.  Współczynnik 
stratności dielektryka tg

δ

 
 
 
 
 
 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

Wytrzymałość elektryczna Km 
Wytrzymałość  elektryczna  określa  wartość  napięcia,  przy  którym  dielektryk  ulega  przebiciu 
czyli trwale traci swe własności izolacyjne.  
 
W warunkach normalnych wytrzymałość elektryczna powietrza wynosi 30  , porcelany 
elektrotechnicznej 200

÷

300  , lakieru izolacyjnego 500     . 

 

 

 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

Podział wg podstawowych zastosowań

 

Z uwagi na przeznaczenie techniczne rozróżnia się:  



 

dielektryki  izolatorowe,  których  zadaniem  jest  odcinanie  przepływu  energii 
elektrycznej przy prądzie stałym i zmiennym, 

 



 

dielektryki  kondensatorowe,  przeznaczone  do  gromadzenia  energii  w  polu  
elektrycznym, 

 



 

dielektryki specjalne, np. materiały absorpcyjne, nieliniowe materiały na przetworniki 
itp.

 

 

 

 
Dielektryki nieorganiczne 
Dielektryki nieorganiczne dzielimy na następujące podgrupy: 



 

dielektryki naturalne i ich pochodne,

 



 

dielektryki  ceramiczne,

 



 

szkła elektrotechniczne. 

 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

Do podstawowych zalet dielektryków nieorganicznych, obok ich bardzo dobrych parametrów 
elektrycznych,  zalicza  się:  możliwości  uzyskiwania  materiału  o  żądanych  parametrach,  duża 
odporność  cieplna,  duża  wytrzymałość  mechaniczna,  duża  stabilność  parametrów  w  czasie, 
niezawodność,  odporność  na  ciężkie  warunki  klimatyczne  i  działanie  pleśni,  łatwość 
produkcji wielkoseryjnej.  
 
Do dielektryków naturalnych zaliczamy: kwarc i mikę wraz z jej pochodnymi. 

• 

Kwarc  jest  materiałem  charakteryzującym  się  stałością  wymiarów  geometrycznych  i 

dużą odpornością cieplną.

 

• 

Mika – odznacza się tym, że możemy ją rozdrobnić do wielkości płatka o grubości 4 

µ

m. 

 

  

W  elektrotechnice  stosuje  się  mikę:  potasową  (muskowit)  –  do  zastosowań 

dielektrycznych oraz magnezową (flogopit) - do izolacji elektrotermicznej. 
 
Materiały ceramiczne 
Do grupy dielektryków ceramicznych zalicza się:  



 

ceramikę specjalną,

 



 

cermetale,

 



 

ceramikę porowatą, 

 



 

ceramikę szklaną.

 

Ze względu na zastosowanie ceramikę dzieli się na:  



 

izolatorową (z uwzględnieniem próżniowej), 

 



 

kondensatorową (z uwzględnieniem nieliniowej).

 

 
Dielektryki organiczne stałe  
Z  nielicznymi  wyjątkami  organiczne  materiały  dielektryczne  stosowane  w  elektrotechnice 
należą do grupy tworzyw wielkocząsteczkowych nazywanych polimerami.  
Ze  względu  na  ich  właściwości  i  praktyczne  zastosowanie  wyróżnia  się  następujące  grupy 
dielektryków: 



 

tworzywa sztuczne, 

 



 

materiały kauczukowe, 

 



 

materiały celulozowe, 

 



 

ż

ywice lane, 

 



 

silikony

 

 
Dielektryki organiczne stałe  
Tworzywa sztuczne 
Wyróżniamy następujące grupy tworzyw sztucznych: 



 

polimery neutralne, które odznaczają się bardzo małą stratnością   Stosowane 

są 

głównie do wytwarzania cienkich folii  

kondensatorowych  oraz  jako  dielektryk 

izolatorowy. 

 



 

polimery polarne, które charakteryzują się wyraźnie większą  

stratnością 

stosunku do polimerów neutralnych, ale także:  

większą 

przenikalnością 

elektryczną. 

 



 

tworzywa piankowe, które charakteryzuje udział powietrza   

zmniejszający 

εεεε

r  i 

tg

δδδδ

 oraz przewodność cieplną 

λλλλ

. Wytrzymałość  

mechaniczna  jest  mała.  Regulacja 

zawartości powietrza umożliwia  

otrzymanie zadanych wartości 

εεεε

r

 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 



 

tłoczywa termoutwardzalne - występują najczęściej w postaci  

proszków.  Mają  złe 

właściwości dielektryczne (duży tg

δ

, małą   rezystywność skrośną pv). Tłoczywa mają 

charakter tworzyw   typowo konstrukcyjnych i nie są używane w polu elektrycznym. 

 

 
Materiały kauczukowe 
 Materiały  kauczukowe  nabywają  właściwości  końcowe  po  procesie  wulkanizacji,  w  którym 
kauczuk, przechodzi                              w zwulkanizowaną gumę. Charakteryzuje je bardzo 
duża  elastyczność,  rozciągliwość  i  sprężystość  odkształcania.  Wulkanizacja  kauczuku 
odbywa  się  w  podwyższonej  temperaturze  w  obecności  siarki.  Zależnie  od  ilości  siarki 
rozróżnia się: gumę miękką (1

÷

3% siarki) i twardą (do 35% siarki).  

Do  podstawowych  wad  gum  należą:  mała  odporność  cieplna  zarówno  dla  wyższych  jak  i 
niższych temperatur oraz mała odporność na działanie rozpuszczalników i olejów. 
 
Materiały celulozowe i tworzywa warstwowe 
Z  tej  grupy  materiałowej  najbardziej  rozpowszechnionym  jako  dielektryk  materiałem  jest 
bibułka  kondensatorowa.  Jej  właściwości  dielektryczne  są  określone  przez  użyte  do  jej 
impregnacji  syciwo.  Zaletą  bibułki  jest  jej  duża  wytrzymałość  na  rozerwanie  umożliwiająca 
uzyskanie bardzo małych grubości folii rzędu 5 

µµµµ

m. Wadą bibułki- nawet impregnowanej- są 

wyraźnie  występujące  zjawiska  starzeniowe,  ograniczające  czas  pracy  kondensatorów 
papierowych. Oprócz bibułki stosuje się jeszcze z tej grupy materiałowej: preszpany (kartony 
wielowarstwowe),  papiery  o  specjalnym  przeznaczeniu  (kablowy,  nawojowy),  fibrę  (ze 
spergaminowanej półmasy szmacianej) oraz materiały warstwowe (laminaty) przygotowane z 
papierów oraz tkanin (bawełniane, szklane, azbestowe).  
Wszystkie  materiały  omawianej  grupy  mają  w  przeważającej  części  złe  właściwości 
dielektryczne  w  polach  wielkiej  częstotliwości  i  są  stosowane  głównie  jako  materiały 
konstrukcyjne lub elektroizolacyjne w przemyśle elektrochemicznym. 
 
Ż

ywice lane 

W  stanie  wyjściowym  są  to  produkty  ciekłe,  które  po  reakcji                              z  odpowiednim 
utwardzaczem przechodzą w ciało stałe. Stosowane są :  



 

 Żywice epoksydowe, które stosowane są jako: impregnacyjne,  

impregnacyjno-

konstrukcyjne i konstrukcyjne. Utwardzanie ich  

odbywa  się  w temperaturach  od 

pokojowej do ok. 100°C. Po  utwardzeniu 

ż

ywice 

epoksydowe 

stają 

się 

nierozpuszczalne. 

 



 

Ż

ywice poliestrowe utwardzane są w wyniku reakcji kopolimeryzacji  

odpowiednim monomerem. Utwardzanie następuje                             

 

temperaturach od pokojowej do ok. +120°C. 

 

Ż

ywice  są  stosowane  do  impregnacji  uzwojeń,  zalewania  urządzeń  lub  ich  elementów, 

odlewania  detali  izolacyjno  –  konstrukcyjnych,  klejenia  i  do  wyrobu  sztucznych 
dielektryków. 
 
Silikony 
Nazwą  silikonów  obejmuje  się  materiały  z  grupy  polimerów  krzemoorganicznych.  Silikony 
mogą  mieć  budowę  łańcuchową  i  są  wtedy  termoplastyczne  lub  sieciową  i  wtedy  należą  do 
termoutwardzalnych.  Podstawową  zaletą  silikonów  w  porównaniu        z  dielektrykami 
organicznymi  są:  znacznie  większa  odporność  cieplna,  odporność  na  działanie  wody,  tlenu, 
ozonu  oraz  światła  słonecznego.  Wadą  natomiast  są  słabe  parametry  mechaniczne  i  gorsze 
parametry  dielektryczne.  W  elektrotechnice  stosuje  się  oleje  silikonowe,  lakiery  i  emalie, 
kauczuki  oraz  tłoczywa.  Tworzywa  silikonowe  wymagają  utwardzania  (wulkanizacji),  które 

background image

 

www.chomikuj.pl/MarWag987 

przeprowadza  się  przez  odpowiednie  podgrzanie  gotowej  mieszanki,  zawierającej  dodatki 
wulkanizacyjne (nadtlenki organiczne). 
 
Syciwa.  
Są  to  dielektryki  w  ciekłym  stanie  skupienia  lub  przynajmniej  ciekłe  w  początkowej  fazie 
procesu technologicznego i przechodzące w stan stały po jego zakończeniu. Zadaniem syciwa 
jest  wypełnienie  szczelin  i  por  gazowych  w  dielektryku  lub  w podzespole,  a  przez  to 
zwiększenie  jego  odporności  na  wyładowania  niezupełne  oraz  przeciwdziałanie  penetracji 
wilgoci. Syciwo poprawia również właściwości dielektryczne impregnowanego materiału (np. 
wzrost przenikalności elektrycznej impregnowanej bibułki kondensatorowej).  
Lakiery  elektroizolacyjne.  Są  to  koloidalne  roztwory  substancji  błonotwórczych  w 
rozpuszczalnikach  organicznych,  które  po  wyschnięciu  i  utwardzeniu  dają    stałe  powłoki  o 
określonych właściwościach.  
Ze  względu  na  zastosowanie  rozróżniamy  lakiery:  nasycające,  pokrywające,  klejące  i 
półprzewodzące. 
 
 

Badania własności materiałów dielektrycznych 

Badania własności elektrycznych dielektryków obejmują:     



 

Pomiary rezystywności izolacji; 

 

• 

metodą techniczną, 

 

• 

metodą porównawczą. 

 



 

pomiary współczynnika stratności; 

 

• 

mostkiem Scheringa. 

 



 

badania niezawodności;