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.

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

.

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 .

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.

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

w

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.

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

z

odpowiednim monomerem. Utwardzanie następuje

w

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

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;