23
INTERNACIONALNI UNIVERZITET U TRAVNIKU FAKULTET POLITEHNIČKIH NAUKA ELEKTROTEHNIKA - ELEKTROENERGETIKA TRAVNIK DIELEKTRICI SEMINARSKI RAD Predmet: Osnove elektrotehnike

Seminarski Rad Osnove Elektrotehnike

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Seminarski rad

Citation preview

INTERNACIONALNI UNIVERZITET U TRAVNIKUFAKULTET POLITEHNIČKIH NAUKA

ELEKTROTEHNIKA - ELEKTROENERGETIKATRAVNIK

DIELEKTRICISEMINARSKI RAD

Predmet: Osnove elektrotehnike

Mentor: Student:_________________ Faruk Tahmiščija

Br. indexa: PT-100/14-II

Travnik, januar 2015.

SADRŽAJ

Strana

1. UVOD 3

2. PODJELA MATERIJALA PREMA PONAŠANJU U ELEKTRIČNOM POLJU 4

3. DIELEKTRICI 5

4. DIELEKTRIČNI GUBITCI 6

5. PROBOJ DIELEKTRIKA 7

6. ELEKTRIČNA POLARIZACIJA DIELEKTRIKA 8

7. PODJELA DIELEKTRIKA 11

8. IZOLACIONI MATERIJALI 12

7. ZAKLJUČAK 15

LITERATURA16

POPIS SLIKA16

POPIS TABELA16

2

1. UVOD

Dielektrik = grčki dia (kroz) + elektrik; dielektrik je materijal kroz koji prolazi električno polje, ali sam ne vodi električni naboj.

Pošto kroz dielektrike ne teče električna struja (ne prolaze naboji), oni spadaju po električnim svojstvima u IZOLATORE (tal. isolare odvojiti, odijeliti, osamiti).

Na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli kod dielektričnih materijala valentni energijski pojas je potpuno popunjen, dok je vodljivi pojas potpuno prazan. Širina pojasa zabranjenih energija ovih materijala pri niskim temperaturama je veća od 2 eV. Energijsko stanje elektrona jednako je za dielektrične materijale u tekućem i čvrstom agregatnom stanju.

Kod plinovitih dielektričnih materijala djelovanje između elektrona jednog atoma i jezgara okolnih atoma je zbog razmjerno velike udaljenosti slabo pa ne dolazi do dijeljenja energijskih razina i formiranja pojasa. Između dielektričnih i poluvodičkih materijala u pogledu energijskih pojasa elektrona razlika je samo kvantitativna;

3

2. PODJELA MATERIJALA PREMA PONAŠANJU U ELEKTRIČNOM POLJU

Materijali se prema ponašanju u električnom polju mogu podjeliti na provodnike, poluprovodnike i neprovodnike (izolatore ili dielektrike). Kojoj grupi pripada neki materijal zavisi od njegove specifične električne otpornosti ili od veličine njegovog energetskog procjepa.

Specifična električna otpornost materijala na sobnoj temperaturi od 20 oC se kreće za provodnike od ρ = 10−8 Ωm do ρ = 10−6 Ωm, za poluprovodnike od ρ = 10−6 Ωm do ρ = 1010 Ωm i za dielektrike ρ > 108 Ωm.

Energetski procjep ili zabranjena zona je energija koju elektron sa vrha valentne zone treba da ima da bi prešao na dno provodne zone. Energetske zone su grupe elektrona koje imaju približno jednake energije.

Valentna zona je poslednja energetska zona najudaljenija od jezgra i u njoj se nalaze elektroni koji ne učestvuju u provođenju jer su čvrsto povezani hemijskim vezama. Provodna zona je energetska zona u kojoj se nalaze elektroni koji su slobodni i koji učestvuju u provođenju. Energetski procjep iznosi Eg = Ep − Ev, gde je

Ep - energija elektrona u provodnoj zoni a Ev - energija elektrona u valentnoj zoni.

Jedinica za ove energije i za energetski procep je elektronvolt (1eV=1.602x10-19J).

Slika 1. Prikaz provodne i valentne zone kod provodnika, poluprovodnika i dielektrika

Provodnici (metali) već pod normalnim uslovima provode el. struju, odnosno imaju slobodne elektrone u provodnoj zoni. Kod provodnika valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju, odnosno nema energetskog procepa ( Eg = 0).

Kod dielektrika i poluprovodnika postoji energetski procjep između valentne i provodne zone i pod normalnim uslovima oni su neprovodni (valentna zona im je popunjena a provodna sasvim prazna).Ukoliko je energetski procjep relativno mali ( Eg ≤ 3.5eV), moguće je da elektron iz valentne zone dobije toplotnu ili svetlosnu energiju i pređe u provodnu zonu i postane slobodan elektron. U valentnoj zoni će tada ostati šupljina koja se popunjava susednim elektronom iz valentne zone i stvaranje ovakvih parova slobodan elektron - šupljina u ____________________Mladenović Danijela – Elektrotehnički materijali

4

valentnoj zoni se zove generacija i ona dovodi do provođenja. Materijali koji u normalnim uslovima nisu provodnici ali to mogu da postanu dovođenjem energije se zovu poluprovodnici. Proces suprotan generaciji se zove rekombinacija i tada elektron iz provodne zone popunjava šupljinu u valentnoj zoni i time se smanjuje provodnost uz oslobađanje energije.

Kod dielektrika je energetski procep relativno veliki ( Eg > 3.5eV), u valentnoj zoni su im elektroni čvrsto vezani a u provodnoj ih uopšte nema pa nema ni provodnosti.

Energetski procjep može biti direktan i indirektan. Razlika između njih je u brzini prelaska elektrona iz valentne u provodnu zonu. Kod direktnih energetskih procjepa prelaz je brži nego kod indirektnih.

3. DIELEKTRICI

Dielektrici su materijali koji imaju specifičnu električnu otpornost veću od 108 Ωm (ρ>108 Ωm). Kod njih skoro da nema slobodnih elektrona pa je zato njihova električna otpornost velika. Ako i pokažu izvjesnu provodnost ona nije posljedica kretanja slobodnih elektrona (elektronska provodnost) već je posljedica jonizacije nečistoća i primjesa u tom materijalu (kretanje naelektisanih čestica – jona ili jonska provodnost) ili je posljedica prisustva vode u dielektriku.

Kod dielektrika je energetski procjep veći od 3.5eV (Eg>3.5eV) pa je na temperaturama blizu apsolutne nule valentna zona potpuno popunjena elektronima a provodna zona je prazna i između njih postoji veliki energetski procjep.

Dielektrici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti α (α < 0) odnosno otpornost dielektrika se smanjuje sa porastom temperature jer je mogućnost jonizacije veća.

Dielektrici su materijali sa jakim jonskim i kovalentnim vezama. Pošto u sebi sadrže naelektrisane čestice, kada se unesu u električno polje dolazi do usmjeravanja tog naelektrisanja u pravcu polja, odnosno dolazi do polarizacije dielektrika. Polarizacija dielektrika je usmjeravanje naelektrisanja pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja. Strana dielektrika, koja je okrenuta ka pozitivnoj elektrodi, će biti negativnija od strane koja je okrenuta ka negativnoj elektrodi, ako se taj dielektrik izloži dejstvu električnog polja. Ukupno naelektrisanje dielektrika je, međutim, nula. Kod jonskih kristala, pozitivni i negativni joni teže da se, oscilovanjem oko svojih ravnotežnih položaja, približe suprotno naelektrisanoj elektrodi pa to dovodi do deformacije u kristalu i do polarizacije koja kratko traje (samo dok se dielektrik nalazi u električnom polju) i zove se jonska polarizacija. Kod polarne kovalentne veze dipoli postoje i bez dejstva spoljašnjeg električnog polja a kad se takav dielektrik unese u električno polje dipoli će se usmjeriti u pravcu polja i ta polarizacija se zove dipolna polarizacija, nastaje sporije od jonske ali duže traje. Kod nepolarne kovalentne veze polarizacija se javlja unutar atoma i zove se elektronska polarizacija i ona postoji samo dok se dielektrik nalazi u električnom polju. Elektronska polarizacija se javlja u svim dielektricima (jer svi imaju atome) a najbolji dielektrici imaju samo elektronsku polarizaciju i ona je zanemarljiva. Jonska polarizacija je veća a najveća je dipolna polarizacija. Veličina koja pokazuje kolika je polarizacija u dielektriku naziva se

5

dielektrična konstanta ε. Relativna dielektrična konstanta εr pokazuje koliko je puta polarizacija u nekom dielektriku veća od polarizacije u vakuumu

gdje je

- dielektrična konstanta vakuuma.

εr kod najčešće korišćenih dielektrika se kreće od 2 do 10 a najveći broj dielektrika ima εr između 12 i 18. Na relativnu dielektričnu konstantu ε r utiču temperatura, frekvencija polja u kome se dielektrik nalazi, vlaga ili higroskopnost materijala, pritisak (ako je u pitanju gas) itd. Kod jonske polarizacije sa povećanjem temparature raste ε r, kod dipolne polarizacije sa porastom temperature do određene vrijednosti εr raste a sa daljim porastom temperature εr opada a kod elektronske polarizacije uticaj temperature je zanemarljiv. Kod jonske i elektronske polarizacije frekvencija polja nema uticaja na ε r a kod dipolne polarizacije sa povećanjem frekvencije smanjuje se εr. Zbog velike relativne dielektrične konstante vode (εrH2O=80) povećava se εr vlažnog materijala a taj uticaj vlage se može ublažiti impregnacijom materijala uljem, smolom, lakom i sl.

4. DIELEKTRIČNI GUBITCI

Dielektrični gubici predstavljaju dio energije koji se u dielektriku pretvara u toplotu (Đulovi gubitci) i dovodi do pada specifične električne otpornosti. Pošto se jedan realan kondenzator sa gubicima može predstaviti kao paralelna veza idealnog kondenzatora bez gubitaka i otpornika velike otpornosti koji predstavlja gubitke, ti gubici su određeni faktorom gubitaka ili tangensom ugla gubitaka

Slika 2. Šema realnog kondenzatora i tangens ugla gubitaka

koji se kod lošijih izolatora kreće od 0.1 do 0.01 a kod boljih iznosi oko 10 -4 i zavisi od frekvencije, temperature i vlažnosti.

Osim tangensa ugla dielektričnih gubitaka, nesavršenost dielektrika opisuju i____________________Mladenović Danijela – Elektrotehnički materijali

6

sljedeće veličine:Zapreminska specifična električna otpornost (ρ), koja karakteriše nesavršenost

izolacionih svojstava po zapremini dielektrika,Površinska specifična električna otpornost (ρp), koja karakteriše nesavršenost

izolacionih svojstava po površini dielektrika, iDielektrična čvrstoća (Ekr), koja karakteriše sposobnost dielektrika da izdrži

primenjeno naizmjenično električno polje bez naglog povećanja provodnosti, tj. bez proboja. U zavisnosti od toga u kojem je agregatnom stanju dielektrik, različiti su uzroci proboja i pojave koje pri tome nastaju u materijalu.

5. PROBOJ DIELEKTRIKA

Ako je dielektrik priključen na niski napon, njegova provodnost je zanemarljivo mala jer imaju malu koncentraciju naelektrisanih čestica. Sa povišenjem napona, pri nekoj kritičnoj jačini električnog polja, doći će do proboja dielektrika. Sposobnost dielektrika da se suprotstavi proboju definiše veličina koja se zove dielektrična čvstoća (probojni napon) Ekr i to je napon koji može da izdrži dielektrik debljine 1 mm pred sam proboj. Jedinica je V/m. Probojni napon obično ne izaziva trajne promene u dielektriku već se poslije kratkog vremena, za manje od 0.1 s, sve vraća u prethodno stanje. Ali ako je dielektrik duže vreme izložen električnom polju čija je jačina blizu granici proboja ili je više puta došlo do proboja u kratkom vremenskom intervalu, doći će do erozije i hemijskog razaranja dielektrika i do proboja i to je električno starenje dielektrika.

Idealni dielektrici na sobnim temperaturama ne postoje. Samo je vakuum idealan izolator.

U gasovitim dielektricima proboj nastaje usljed procesa udarne jonizacije i fotonske jonizacije. Elektroni sa katode, nastali u procesu hladne emisije pod dejstvom jakog električnog polja, ubrzavaju pod dejstvom polja, sudarajući se pri tome sa molekulima gasa i jonizujući ih. Pri tome se generišu novi elektroni, koji dalje takođe vrše jonizaciju molekula gasa, da bi se na kraju (poslije oko 10−6 s) stvorio provodni kanal jonizovanog gasa, što predstavlja proboj gasnog dielektrika.

Ukoliko jačina električnog polja nije dovoljno velika da elektron između dva uzastopna sudara stekne energiju potrebnu za jonizaciju molekula, tada pri sudaru molekul gasa može da pređe u pobuđeno stanje, prelaskom vezanih elektrona sa nižih na više energetske nivoe. U procesu deeksitacije ovih pobuđenih molekula (povratkom njihovih elektrona u prvobitno stanje), dolazi do emisije fotona, koji mogu biti apsorbovani drugim molekulima koji se nalaze u pobuđenom stanju, tako da budu jonizovani. Ovaj proces može da se produži do stvaranja provodnog kanala u gasu.

Realni dielektrični proboj u gasovima nastaje kao kombinacija dva opisana procesa. Tipične vrijednosti dielektrične čvrstoće gasova su do 5 kV/mm.

Vrijednost dielektrične čvrstoće zavisi od pritiska, temperature, vlažnosti, kao i od primjesa u gasu. Sa sniženjem pritiska (ili sa povećanjem temperature) povećava se srednje rastojanje između molekula gasa, čime se povećava srednja dužina slobodnog puta

7

elektrona u gasu, a time i kinetička energija koju elektroni stiču između sudara, što dovodi do smanjenja dielektrične čvrstoće gasa. Sa povećanjem vlažnosti, dielektrična čvrstoća gasa se smanjuje, jer u vodenoj pari lakše dolazi do formiranja provodnog kanala.

U tečnim dielektricima mehanizam proboja je isti kao i u gasovitim, s tim što njihova dielektrična čvrstoća dostiže i do 30 kV/mm, jer je gustina tečnosti znatno veća od one kod gasova, što dovodi do smanjenja srednje dužine slobodnog puta elektrona, a time i do smanjenja kinetičke energiju koju mogu da steknu ubrzavanjem pod dejstvom polja između sudara. Na dielektričnu čvrstoću u tečnostima pritisak praktično ne utiče (zbog nestišljivosti tečnosti), dok porast temperature može imati uticaja samo na disocijaciju vode, ukoliko je ona prisutna u tečnom dielektriku, što dovodi do smanjenja dielektrične čvrstoće. Primjese (voda, gasovi i sl.) dovode takođe do smanjenja dielektrične čvrstoće tečnih dielektrika. I u tečnim i u gasovitim dielektricima, usljed izraženog haotičnog toplotnog kretanja molekula, nakon proboja dolazi do uspostavljanja stanja u materijalu kao i prije proboja, tj. do njihove regeneracije.

Kod čvrstih dielektrika pri proboju se primjećuje otvor vrlo nepravilnog oblika, pa se o regeneraciji ne može govoriti. Pored procesa udarne i fotonske jonizacije, ovde je prisutna i termička jonizacija usled zagrevanja dielektrika (kao posledica raznih vidova gubitaka u njemu), a prisutne su i hemijske promjene u materijalu pod dejstvom jakog električnog polja (elektroliza, pojava ozona u vazduhu u blizini površine materijala i sl.). Za razliku od električnih i toplotnih pojava koje dovode do proboja vrlo brzo (posle 10 -7 - 10-8 s), hemijske promene pod dejstvom jakog električnog polja su znatno sporije (i do nekoliko dana), što dovodi do tzv. starenja čvrstog dielektrika. U čvrstim dielektricima, dielektrična čvrstoća dostiže 160 kV/mm. Na vrijednost dielektrične čvrstoće utiču temperatura, vlaga i gasovite primjese (sa porastom bilo kog od ova tri faktora smanjuje se dielektrična čvrstoća).

Oblik elektroda takođe ima znatnog uticaja na vrijednost dielektrične čvrstoće.

6. ELEKTRIČNA POLARIZACIJA DIELEKTRIKA

Dielektrična svojstva materijala veoma zavise od vrste njihovih molekula, pri čemu dielektrici mogu da se klasifikuju u polarne i neutralne.

Polarni dielektrici imaju takve molekule koji su ujedno i dipoli, jer prilikom povezivanja atoma u molekule nastaje raspodela pozitivnih i negativnih naelektrisanja koja odgovara postojanju stalnog električnog dipola molekula, iako se posmatrani materijal ne nalazi u spoljašnjem električnom polju.

Molekuli vode, na primer, imaju stalne električne dipole koji su haotično orijentisani, u svim pravcima, usled toplotnog kretanja molekula.

Ako se polarnom dielektriku dovede neko spoljašnje električno polje E nastaće delimična orijentaciona polarizacija dipola (u toku vremena τ ~ 10−9 s). Broj orijentisanih dipola u pravcu dovedenog električnog polja povećava se sa povećanjem jačine električnog polja E i smanjenjem temperature.____________________Materijali u elektrotehnici - Еlektrotehnički fakultet, Beograd

8

Slika 3. Prikaz orijentacije dipola u polarnom dielektriku: (a) u odsustvu i (b) u prisustvu spoljašnjeg električnog polja.

Neutralni dielektrici u odsustvu spoljašnjeg električnog polja nemaju stalne električne dipole. Kao primer, razmotrimo jedan atom koji ima jezgro naelektrisanja +q=Ze i elektronski omotač ukupnog negativnog naelektrisanja -q=-Ze, gde je Z broj elektrona u omotaču posmatranog atoma. Za slučaj E=0 centri pozitivnih i negativnih naelektrisanja se poklapaju i nema električnog dipola. Ako se posmatranom atomu dovede neko spoljašnje električno polje (E≠0), dolazi do deformacije elektronskog omotača i nastaje razdvajanje centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja. To znači da se pod dejstvom dovedenog spoljašnjeg električnog polja obrazovao dipolni moment p = qΔl, gde je Δl rastojanje između centara pozitivnih i negativnih naelektrisanja.

Opisana pojava je elastičnog karaktera i naziva se elektronskom polarizacijom.Ova vrsta polarizacije nastaje za τe~10−15s, i za nju se definiše elektronska

polarizabilnost (αe) kao koeficijent srazmernosti između dipolnog momenta (p) i lokalnog električnog polja (Elok) koje neposredno dejstvuje na posmatrani atom: p = αeElok .

Slika 4. Prikaz elektronske polarizacije atoma u neutralnom dielektriku u odsustvu i prisustvu spoljašnjeg električnog polja E

Dodatni vid neutralne i deformacione elastične polarizacije je tzv. jonska polarizacija.

Na slici (5a) prikazana je rešetka jonskog dielektrika, u kome se u odsustvu spoljašnjeg električnog polja joni nalaze na međusobno jednakim odstojanjima u ravnotežnom položaju. Dejstvom dovedenog električnog polja jonska rešetka se deformiše

9

(slika (5b)) i na taj način se obrazuju električni dipoli, s obzirom na izmenjeni položaj pozitivnih i negativnih jona.

Ova vrsta polarizacije nastaje za τj~10−13s, i za nju se definiše jonska polarizabilnost (αj): p = αjElok.

Slika 5a i 5b. Prikaz jonske polarizacije u jonskom kristalu u odsustvu i prisustvu električnog polja

Još jedan vid neutralne polarizacije je tzv. međuslojna polarizacija.Ona je posljedica postojanja prostornih naelektrisanja, a nastaje ako posmatrani

dielektrik ima relativno slobodna naelektrisanja na mjestima defekata u kristalnoj rešetki materijala.

Dovođenjem spoljašnjeg električnog polja dolazi do prostorne preraspodjele ovih naelektrisanja, što za rezultat ima razdvajanje pozitivnog i negativnog nealektrisanja i obrazovanja električnih dipola.

Vrijeme potrebno za preraspodjelu prostornog naelektrisanja je τm~10−2s, i za nju se definiše međuslojna polarizabilnost (αm): p = αmElok.

Slika 6. Prikaz međuslojne polarizacije u kristalu sa naelektrisanjima akumuliranimna defektima u strukturi u odsustvu i u prisustvu električnog polja.

____________________Materijali u elektrotehnici - Еlektrotehnički fakultet, Beograd

10

Definisanjem još i orijentacione polarizabilnosti (αor) za polarne dielektrike, u opštem slučaju prisustva sve četiri vrste polarizacije, polarizabilnost dielektrika može da se prikaže u formi superpozicije:

α = αe + αj+ αor + αm

Pri tome treba imati u vidu da svi dielektrici imaju elektronsku polarizaciju, odnosno αe, a pored nje mogu (a ne moraju) da imaju i neku drugu vrstu polarizacije. Najbolji izolatori, kao što su sintetički polimeri polietilen, teflon i polistiren, imaju samo elektronsku polarizaciju.

Polarizabilnost je mikroskopska karakteristika, koja je posljedica načina povezivanja atoma, jona ili molekula u dielektriku, i ona je frekventno zavisna veličina, α(f).

Relativna dielektrična permitivnost je makroskopska karakteristika, koja je od interesa u praksi. Ona se u udžbenicima često naziva i relativna dielektrična konstanta, mada je i ona frekventno zavisna veličina, εr(f), što je posledica veze između makroskopskih (εr) i mikroskopskih (α) karakteristika dielektrika.

7. PODJELA DIELEKTRIKA

Podjela dielektrika može da se izvrši na više načina: prema upotrebi, porijeklu, agregatnom stanju, dielektričnim (izolacionim) svojstvima i prema načinu polarizacije.

Prema upotrebi dielektrici se klasifikuju na pasivne i aktivne

Pasivni se obično koriste samo kao izolacioni materijali, dok se aktivni koriste u električnim komponentama: kondenzatorima, piezopretvaračima, displejima...

Prema poreklu dielektrici se klasifikuju na organske i neorganske

pri čemu i jedni i drugi mogu biti prirodni ili sintetički.Prema agregatnom stanju dielektrici se klasifikuju na

gasovite, tečne i čvrste

pri čemu čvrsti mogu da imaju monokristalnu, polikristalnu, amorfnu, polimersku ili tečnokristalnu strukturu.

Prema izolacionim svojstvima, dielektrici se klasifikuju na slabe, dobre i odlične izolatore.

Odlični izolatori su obično materijali sa kovalentnim hemijskim vezama i elektronskom polarizacijom, dobri izolatori su sa jonskim hemijskim vezama i jonskom

11

polarizacijom, a slabi obično imaju strukturu koja sadrži stalne električne dipole, sa orijentacionom polarizaciom.

8. IZOLACIONI MATERIJALI

Izolacioni materijali su po obimu primene u elektrotehnici najznačajniji dielektrični materijali. Oni služe za izradu izolovanih provodnika i kablova, kao i izolacionih slojeva u mikroelektronskim kolima.

Tabela 1. Uporedne karakteristike važnijih izolacionih materijala, sa primjenama

Polietilen ima najbolja izolaciona svojstva među prikazanim materijalima, i može postojati u dva oblika: termoplastični i umreženi.

Polietilen se ubraja u polimerizate (jer se dobija polimerizacijom etilena) i termoplaste (zagrijavanjem na temperaturi 105oC omekšava, a hlađenjem ponovo očvršćava), a zbog izuzetnih izolacionih svojstava često se naziva i superdielektrikom (zajedno sa polistirenom i teflonom).

Termoplastični polietilen ima radnu temperaturu (tr) do 70oC, hemijski je stabilan, otporan na struju kratkog spoja (podnosi 200oC u toku 30 s) zbog čega se koristi za izolaciju energetskih kablova do 15 kV, a takođe i telekomunikacionih (niskonaponskih). Nedostatak mu je zapaljivost (na 350oC), relativno niska radna temperatura i naglo omekšavanje na temperaturi višoj od 150oC.

12

Umreženi polietilen se dobija poprečnom polimerizacijom glavnih lanaca termoplastičnog polietilena. Ima povišenu radnu temperaturu (do 90oC), otpornost na struju kratkog spoja (podnosi 250oC u toku 30 s), nezapaljiv je i pokazuje samo progresivno i ograničeno omekšavanje pri povišenju temperature, zbog čega se primenjuje kao izolacija viskonaponskih energetskih kablova (50 - 400 kV). Osim toga, izvrsna otpornost prema vlazi (upija je manje od 0,01 %) čini umreženi polietilen veoma pogodnim za izradu izolacije i antikorozivne zaštite kablova za polaganje u kanale i direktno u zemlju.

Polivinilhlorid (PVC) polarnog je karaktera i zato ima znatno slabija izolaciona svojstva od polietilena, ali je zato znatno jeftiniji, zbog čega se mnogo primjenjuje za izolaciju provodnika (radnog napona < 1 kV) i srednjenaponskih energetskih kablova (do 30 kV). Pri višim naponima se ne primenjuje zbog velikih dielektričnih gubitaka (tgδ). Radna temperatura mu je do 65oC, kada počinje da omekšava. Nezapaljiv je, ali je manje otporan na struje kratkog spoja (podnosi 160oC u toku 30 s). Ima dobra mehanička svojstva i hemijski je otporan na kiseline, baze, transformatorsko ulje i ozon.

Silikonska guma ima dobra plastična svojstva orgranskih materijala i temperatursku postojanost SiO2. Dobija se vulkanizacijom silikonskih smola. Ima odlična mehanička i izolaciona svojstva i hemijski je otporna na rastvarače, vodu, ozon, svetlo i oksidaciju. Koristi se za izolaciju provodnika i kablova u avio industriji, kao i u tehnici visokog napona, prvenstveno zbog nerastvorljivosti u benzinu i ulju i visoke radne temperature (do 250oC).

Poliuretan, za razliku od prethodno spomenutih polimera, ne dobija se polimerizacijom - već poliadicijom (pri kojoj se spajaju u polimer molekuli različite vrste, dok se pri polimerizaciji spajaju molekuli iste vrste). Iako ima velike dielektrične gubitke, ima odlična mehanička svojstva (žilavost i čvrstoću, otpornost na habanje i postojanost na vlagu), zbog čega se koristi za izradu izolacije provodnika i kablova u vojne svrhe (u oklopnim vozilima). Koristi se i za izradu livenih delova za prekidače, u radio i telefonskoj tehnici, za izradu lakova za lakiranje žica itd.

Kablovsko ulje se ubraja u mineralna ulja, koja se dobijaju kao treća frakciona destilacija nafte. Služi za izolaciju u tzv. uljnim kablovima sa papirnom izolacijom, pod pritiskom, gde vrši impregnaciju papirne izolacije, što omogućava visoke radne napone (50 - 500 kV). Ovakva primjena kablovskog ulja je posljedica njegovih dobrih izolacionih svojstava i male viskoznosti, što onemogućava stvaranje praznih vazdušnih prostora i jonizaciju, a samim tim i dielektrični proboj. Pored kablovskog ulja, u mineralna ulja se ubrajaju i kondenzatorsko, transformatorsko i ulje za prekidače, prema vrsti izolacione primjene. Odlikuje se izvanredno malim dielektričnim gubicima.

Suh vazduh je vrlo dobar izolator, što se koristi u prenosu električne energije visokonaponskim (golim) vodovima dalekovoda, i u gotovo svim električnim uređajima. Međutim, vlažan vazduh ima manju specifičnu električnu otpornost i može pri vrlo visokoj vlažnosti da postane provodan. Vlažan vazduh može hemijski štetno da deluje i na druge dielektrike, jer se uz prisustvo vlage stvara azotna kiselina, koja lako nagriza mnoge materijale.

____________________Materijali u elektrotehnici - Еlektrotehnički fakultet, Beograd

13

Elgas (sumpor heksafluorid, SF6) ima nekoliko puta veću dielektričnu čvrstoću od vazduha, jer ima veliki hemijski afinitet, odnosno sposobnost zahvatanja slobodnih elektrona. Zahvatanjem elektrona stvaraju se negativini joni, ali slabo pokretljivi, čime se smanjuje efikasnost procesa sudarne jonizacije i time povećava dielektrična čvrstoća ovog gasa. Elgas se koristi u izolaciji visokonaponskih kablova, transformatora, kondenzatora i drugih visokonaponskih postrojenja. Do otkrića elgasa, u ove svrhe se koristio i azot (N2).

14

9. ZAKLJUČAK

Dielektrici su materijali sa velikim energetskim procepom (Eg>3,5eV) i specifičnom električnom otpornošću ρ~ 106-1018 Ωm, koja pokazuje da su ovi materijali na sobnoj temperaturi praktično neprovodni.

Slaba električna struja, koja nastaje kada se dielektrik stavi između metalnih elektroda i priključi na neki napon, rezultat je najčešće kretanja jona, a znatno rjeđe slobodnih elektrona kojih praktično nema na sobnoj temperaturi. Prisustvo male električne provodnosti dielektrika pogoršava svojstva kondenzatora u električnim kolima, što se karakteriše tangensom ugla dielektričnih gubitaka (tgδ, tangens ugla za koji fazni pomeraj između priključenog naizmeničnog napona i struje odstupa od π/2).

Sa povećanjem temperature počinje sve intezivnije stvaranje provodnih parova elektron-šupljina, prelaskom elektrona sa vrha valentne na dno provodne zone, čime se smanjuje ρ dielektrika. Naglo povećanje koncentracije provodnih nosilaca može da se javi i pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja (tj. primenjenog napona), kada nastaje električni proboj dielektrika, okarakterisan dielektričnom čvrstoćom (Ekr), odnosno kritičnim (probojnim) električnim poljem.

Slika zonalne strukture dielektrika, sa velikim Eg i praktično praznom provodnom zonom na sobnoj temperaturi, nedovoljna je za objašnjenje svih svojstava dielektrika. Mora se uzeti u obzir i dinamika atoma, jona ili molekula dielektričnih materijala, što objašnjava raznovrsna svojstva polarizacije dielektrika u jednosmernim i naizmeničnim električnim poljima, okarakterisana relativnom dielektričnom permitivnošću (εr).

15

LITERATURA

1 Mladenović Danijela – Elektrotehnički materijali2 Materijali u elektrotehnici - Еlektrotehnički fakultet, Beograd

POPIS SLIKA

Slika 1. Prikaz provodne i valentne zone kod provodnika, poluprovodnika i dielektrikaSlika 2. Šema realnog kondenzatora i tangens ugla gubitakaSlika 3. Prikaz orijentacije dipola u polarnom dielektriku: (a) u odsustvu i (b) u prisustvu spoljašnjeg električnog polja.Slika 4. Prikaz elektronske polarizacije atoma u neutralnom dielektriku u odsustvu i prisustvu spoljašnjeg električnog polja ESlika 5a i 5b. Prikaz jonske polarizacije u jonskom kristalu u odsustvu i prisustvu električnog poljaSlika 6. Prikaz međuslojne polarizacije u kristalu sa naelektrisanjima akumuliranim na defektima u strukturi u odsustvu i u prisustvu električnog polja.

POPIS TABELA

Tabela 1. Uporedne karakteristike važnijih izolacionih materijala, sa primjenama

16