डाइलेक्ट्रिक्स और उनके गुण, ध्रुवीकरण और डाइलेक्ट्रिक्स की टूटने की ताकत

नगण्य विद्युत चालकता वाले पदार्थों (पिंडों) को डाइलेक्ट्रिक्स या इन्सुलेटर कहा जाता है।

डाइलेक्ट्रिक्स या गैर-चालक इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में उपयोग किए जाने वाले पदार्थों के एक बड़े वर्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं जो व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए महत्वपूर्ण हैं। वे विद्युत परिपथों को इन्सुलेट करने के साथ-साथ विद्युत उपकरणों को विशेष गुण प्रदान करने का काम करते हैं, जो उन सामग्रियों के आयतन और वजन का अधिक पूर्ण उपयोग करने में सक्षम होते हैं जिनसे वे बने हैं।

डाइलेक्ट्रिक्स सभी समग्र अवस्थाओं में पदार्थ हो सकते हैं: गैसीय, तरल और ठोस। व्यवहार में, वायु, कार्बन डाइऑक्साइड, हाइड्रोजन का उपयोग सामान्य और संपीड़ित अवस्था दोनों में गैसीय परावैद्युत के रूप में किया जाता है।

इन सभी गैसों का लगभग अनंत प्रतिरोध होता है। गैसों के विद्युत गुण समदैशिक होते हैं। तरल पदार्थ, रासायनिक रूप से शुद्ध पानी, कई कार्बनिक पदार्थ, प्राकृतिक और कृत्रिम तेल (ट्रांसफार्मर का तेल, उल्लू, आदि)।

लिक्विड डाइलेक्ट्रिक्स में आइसोट्रोपिक गुण भी होते हैं।इन पदार्थों के उच्च इन्सुलेट गुण उनकी शुद्धता पर निर्भर करते हैं।

उदाहरण के लिए, जब हवा से नमी अवशोषित हो जाती है तो ट्रांसफार्मर तेल के इन्सुलेट गुण कम हो जाते हैं। व्यवहार में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ठोस डाइलेक्ट्रिक्स हैं। इनमें अकार्बनिक (चीनी मिट्टी के बरतन, क्वार्ट्ज, संगमरमर, अभ्रक, कांच, आदि) और कार्बनिक (कागज, एम्बर, रबर, विभिन्न कृत्रिम कार्बनिक पदार्थ) मूल के पदार्थ शामिल हैं।

इनमें से अधिकांश पदार्थों में उच्च विद्युत और यांत्रिक गुण होते हैं और इनका उपयोग किया जाता है बिजली के उपकरणों के इन्सुलेशन के लिएआंतरिक और बाहरी उपयोग के लिए इरादा।

कई पदार्थ अपने उच्च इन्सुलेट गुणों को न केवल सामान्य पर बल्कि ऊंचे तापमान (सिलिकॉन, क्वार्ट्ज, सिलिकॉन सिलिकॉन यौगिकों) पर भी बनाए रखते हैं। ठोस और तरल अचालक में एक निश्चित मात्रा में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, यही वजह है कि एक अच्छे परावैद्युत का प्रतिरोध लगभग 1015 - 1016 ओम x मीटर होता है।

कुछ शर्तों के तहत, आयनों में अणुओं का पृथक्करण अचालक में होता है (उदाहरण के लिए, उच्च तापमान या एक मजबूत क्षेत्र के प्रभाव में), इस मामले में अचालक अपने इन्सुलेट गुणों को खो देते हैं और बन जाते हैं ड्राइवरों.

डाइलेक्ट्रिक्स में ध्रुवीकृत होने का गुण होता है और उनमें दीर्घकालिक अस्तित्व संभव है। इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र.

सभी डाइलेक्ट्रिक्स की एक विशिष्ट विशेषता न केवल विद्युत प्रवाह के पारित होने के लिए उच्च प्रतिरोध है, जो उनमें एक छोटी संख्या की उपस्थिति से निर्धारित होती है इलेक्ट्रॉनोंढांकता हुआ की पूरी मात्रा के माध्यम से स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ रहा है, लेकिन एक विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत उनके गुणों में भी बदलाव होता है, जिसे ध्रुवीकरण कहा जाता है। ढांकता हुआ में विद्युत क्षेत्र पर ध्रुवीकरण का बड़ा प्रभाव पड़ता है।

विद्युत अभ्यास में डाइलेक्ट्रिक्स के उपयोग का एक मुख्य उदाहरण जमीन से और एक दूसरे से विद्युत उपकरणों के तत्वों का अलगाव है, जिसके कारण इन्सुलेशन का विनाश विद्युत प्रतिष्ठानों के सामान्य संचालन को बाधित करता है और दुर्घटनाओं की ओर जाता है।
इससे बचने के लिए, विद्युत मशीनों और प्रतिष्ठानों के डिजाइन में, व्यक्तिगत तत्वों के इन्सुलेशन को चुना जाता है ताकि, एक तरफ, डाइलेक्ट्रिक्स में क्षेत्र की ताकत कहीं भी उनकी ढांकता हुआ ताकत से अधिक न हो, और दूसरी तरफ, यह इन्सुलेशन उपकरणों के अलग-अलग कनेक्शनों में यथासंभव पूरी तरह से उपयोग किया जाता है (कोई अतिरिक्त स्टॉक नहीं)।
ऐसा करने के लिए, आपको पहले यह जानना होगा कि डिवाइस में विद्युत क्षेत्र कैसे वितरित किया जाता है, फिर उपयुक्त सामग्री और उनकी मोटाई का चयन करके उपरोक्त समस्या को संतोषजनक ढंग से हल किया जा सकता है।

ढांकता हुआ ध्रुवीकरण

यदि एक निर्वात में एक विद्युत क्षेत्र बनाया जाता है, तो किसी दिए गए बिंदु पर क्षेत्र शक्ति वेक्टर का परिमाण और दिशा केवल क्षेत्र बनाने वाले आवेशों के परिमाण और स्थान पर निर्भर करती है। यदि किसी ढांकता हुआ क्षेत्र में क्षेत्र बनाया जाता है, तो बाद के अणुओं में भौतिक प्रक्रियाएं होती हैं जो विद्युत क्षेत्र को प्रभावित करती हैं।

विद्युत क्षेत्र बलों की कार्रवाई के तहत, कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों को क्षेत्र के विपरीत दिशा में विस्थापित किया जाता है। नतीजतन, पहले तटस्थ अणु कक्षाओं में नाभिक और इलेक्ट्रॉनों पर समान शुल्क के साथ द्विध्रुव बन जाते हैं। इस घटना को कहा जाता है परावैद्युत ध्रुवीकरण... जब क्षेत्र गायब हो जाता है, तो विस्थापन भी गायब हो जाता है। अणु फिर से विद्युत रूप से तटस्थ हो जाते हैं।

ध्रुवीकृत अणु - द्विध्रुवीय अपना स्वयं का विद्युत क्षेत्र बनाते हैं, जिसकी दिशा मुख्य (बाहरी) क्षेत्र की दिशा के विपरीत होती है, इसलिए अतिरिक्त क्षेत्र, मुख्य के साथ मिलकर इसे कमजोर कर देता है।

ढांकता हुआ जितना अधिक ध्रुवीकृत होता है, परिणामी क्षेत्र उतना ही कमजोर होता है, मुख्य क्षेत्र बनाने वाले समान आवेशों के लिए किसी भी बिंदु पर इसकी तीव्रता कम होती है, और इसलिए ऐसे ढांकता हुआ का ढांकता हुआ स्थिरांक अधिक होता है।

यदि ढांकता हुआ एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र में है, तो इलेक्ट्रॉनों का विस्थापन भी वैकल्पिक हो जाता है। इस प्रक्रिया से कणों की गति में वृद्धि होती है और इसलिए ढांकता हुआ गर्म हो जाता है।

जितना अधिक बार विद्युत क्षेत्र बदलता है, उतना ही अधिक ढांकता हुआ गर्म होता है। व्यवहार में, इस घटना का उपयोग गीली सामग्री को सुखाने के लिए या उच्च तापमान पर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने के लिए किया जाता है।

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ध्रुवीय और गैर-ध्रुवीय डाइलेक्ट्रिक्स

हालांकि डाइलेक्ट्रिक्स व्यावहारिक रूप से बिजली का संचालन नहीं करते हैं, फिर भी, एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में, वे अपने गुणों को बदलते हैं। अणुओं की संरचना और उन पर विद्युत क्षेत्र के प्रभाव की प्रकृति के आधार पर, डाइलेक्ट्रिक्स को दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है: गैर-ध्रुवीय और ध्रुवीय (इलेक्ट्रॉनिक और ओरिएंटल ध्रुवीकरण के साथ)।

गैर-ध्रुवीय डाइलेक्ट्रिक्स में, यदि विद्युत क्षेत्र में नहीं है, तो इलेक्ट्रॉन नाभिक के केंद्र के साथ एक केंद्र के साथ कक्षाओं में घूमते हैं। इसलिए, इन इलेक्ट्रॉनों की क्रिया को नाभिक के केंद्र में स्थित ऋणात्मक आवेशों की क्रिया के रूप में देखा जा सकता है।चूंकि धनात्मक रूप से आवेशित कणों - प्रोटॉन - की क्रिया के केंद्र नाभिक के केंद्र में केंद्रित होते हैं, बाहरी अंतरिक्ष में परमाणु को विद्युत रूप से तटस्थ माना जाता है।

जब इन पदार्थों को इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में पेश किया जाता है, तो इलेक्ट्रॉनों को क्षेत्र बलों के प्रभाव में विस्थापित किया जाता है, और इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन की कार्रवाई के केंद्र मेल नहीं खाते। बाह्य अंतरिक्ष में, इस मामले में परमाणु को एक द्विध्रुव के रूप में माना जाता है, अर्थात् दो समान भिन्न बिंदु आवेशों -q और + q की एक प्रणाली के रूप में, एक दूसरे से एक निश्चित छोटी दूरी पर स्थित, विस्थापन के बराबर नाभिक के केंद्र के सापेक्ष इलेक्ट्रॉन कक्षा का केंद्र।

ऐसी प्रणाली में, धनात्मक आवेश क्षेत्र की शक्ति की दिशा में विस्थापित होता है, ऋणात्मक विपरीत दिशा में। बाह्य क्षेत्र की शक्ति जितनी अधिक होगी, प्रत्येक अणु में आवेशों का सापेक्षिक विस्थापन उतना ही अधिक होगा।

जब क्षेत्र गायब हो जाता है, तो इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के सापेक्ष गति की अपनी मूल अवस्था में लौट आते हैं और परावैद्युत पुनः उदासीन हो जाता है। किसी क्षेत्र के प्रभाव में परावैद्युत के गुणों में उपरोक्त परिवर्तन को इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण कहा जाता है।

ध्रुवीय अचालक में अणु द्विध्रुव होते हैं। अराजक तापीय गति में होने के कारण, द्विध्रुव क्षण हर समय अपनी स्थिति बदलता रहता है। इससे अलग-अलग अणुओं के द्विध्रुवों के क्षेत्रों की भरपाई होती है और इस तथ्य की ओर जाता है कि ढांकता हुआ के बाहर, जब कोई बाहरी क्षेत्र नहीं होता है, तो कोई मैक्रोस्कोपिक नहीं होता है। मैदान।

जब ये पदार्थ बाहरी इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र के संपर्क में आते हैं, तो द्विध्रुव घूमते हैं और क्षेत्र के साथ अपनी कुल्हाड़ियों को स्थापित करते हैं। यह पूरी तरह से आदेशित व्यवस्था थर्मल गति से बाधित होगी।

कम क्षेत्र की ताकत पर, क्षेत्र की दिशा में केवल एक निश्चित कोण पर द्विध्रुव का घूर्णन होता है, जो विद्युत क्षेत्र की क्रिया और तापीय गति के प्रभाव के बीच संतुलन द्वारा निर्धारित होता है।

जैसे-जैसे क्षेत्र की ताकत बढ़ती है, अणुओं का घूर्णन और, तदनुसार, ध्रुवीकरण की डिग्री बढ़ जाती है। ऐसे मामलों में, द्विध्रुव आवेशों के बीच की दूरी द्विध्रुव अक्षों के अनुमानों के औसत मान द्वारा क्षेत्र शक्ति की दिशा पर निर्धारित की जाती है। इस प्रकार के ध्रुवीकरण के अलावा, जिसे ओरिएंटल कहा जाता है, आवेशों के विस्थापन के कारण इन डाइलेक्ट्रिक्स में एक इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण भी होता है।

ऊपर वर्णित ध्रुवीकरण पैटर्न सभी इन्सुलेट पदार्थों के लिए बुनियादी हैं: गैसीय, तरल और ठोस। तरल और ठोस डाइलेक्ट्रिक्स में, जहां अणुओं के बीच की औसत दूरी गैसों की तुलना में छोटी होती है, ध्रुवीकरण की घटना जटिल होती है, क्योंकि नाभिक के सापेक्ष इलेक्ट्रॉन कक्षा के केंद्र के बदलाव या ध्रुवीय द्विध्रुवों के घूमने के अलावा, अणुओं के बीच परस्पर क्रिया भी होती है।

चूंकि एक ढांकता हुआ द्रव्यमान में, व्यक्तिगत परमाणु और अणु केवल ध्रुवीकृत होते हैं, और सकारात्मक और नकारात्मक रूप से आवेशित आयनों में नहीं टूटते हैं, एक ध्रुवीकृत ढांकता हुआ आयतन के प्रत्येक तत्व में, दोनों संकेतों के आवेश समान होते हैं। इसलिए, इसकी पूरी मात्रा में ढांकता हुआ विद्युत रूप से तटस्थ रहता है।

अपवाद ढांकता हुआ की सीमा सतहों पर स्थित अणुओं के ध्रुवों के आरोप हैं। ऐसे आवेश इन सतहों पर पतली आवेशित परतें बनाते हैं। समांगी माध्यम में ध्रुवीकरण की परिघटना को द्विध्रुवों की हार्मोनिक व्यवस्था के रूप में प्रदर्शित किया जा सकता है।

डाइलेक्ट्रिक्स की टूटने की ताकत

सामान्य परिस्थितियों में, ढांकता हुआ है नगण्य विद्युत चालकता… यह संपत्ति तब तक बनी रहती है जब तक कि प्रत्येक ढांकता हुआ के लिए विद्युत क्षेत्र की ताकत एक निश्चित सीमित मूल्य तक नहीं बढ़ जाती।

एक मजबूत विद्युत क्षेत्र में, ढांकता हुआ अणु आयनों में विभाजित हो जाता है, और शरीर, जो एक कमजोर क्षेत्र में ढांकता हुआ था, एक कंडक्टर बन जाता है।

विद्युत क्षेत्र की ताकत जिस पर ढांकता हुआ अणुओं का आयनीकरण शुरू होता है, ढांकता हुआ का ब्रेकडाउन वोल्टेज (विद्युत शक्ति) कहलाता है।

इसे विद्युत क्षेत्र की ताकत का परिमाण कहा जाता है जिसे एक ढांकता हुआ में अनुमति दी जाती है जब इसका उपयोग विद्युत प्रतिष्ठानों में स्वीकार्य वोल्टेज के लिए किया जाता है। स्वीकार्य वोल्टेज आमतौर पर ब्रेकिंग वोल्टेज से कई गुना कम होता है। स्वीकार्य सुरक्षा मार्जिन के लिए ब्रेकडाउन वोल्टेज का अनुपात निर्धारित किया जाता है... सबसे अच्छा गैर-चालक (ढांकता हुआ) वैक्यूम और गैसें हैं, विशेष रूप से उच्च दबाव पर।

ढांकता हुआ विफलता

ब्रेकडाउन गैसीय, तरल और ठोस पदार्थों में अलग-अलग होता है और कई स्थितियों पर निर्भर करता है: ढांकता हुआ, दबाव, तापमान, आर्द्रता, ढांकता हुआ की मोटाई आदि की एकरूपता पर। इसलिए, ढांकता हुआ ताकत का मूल्य निर्धारित करते समय, ये शर्तें आमतौर पर प्रदान की जाती हैं।

काम करने वाली सामग्रियों के लिए, उदाहरण के लिए, बंद कमरों में और वायुमंडलीय प्रभावों के संपर्क में नहीं आने पर, सामान्य स्थितियाँ स्थापित की जाती हैं (उदाहरण के लिए, तापमान + 20 ° C, दबाव 760 मिमी)। आर्द्रता भी सामान्य हो जाती है, कभी-कभी आवृत्ति आदि।

गैसों में अपेक्षाकृत कम विद्युत शक्ति होती है। अत: सामान्य परिस्थितियों में वायु का भंजन प्रवणता 30 kV/cm है।गैसों का लाभ यह है कि उनके विनाश के बाद, उनके इन्सुलेट गुण जल्दी से बहाल हो जाते हैं।

तरल डाइलेक्ट्रिक्स में थोड़ी अधिक विद्युत शक्ति होती है। तरल पदार्थों की एक विशिष्ट विशेषता उन उपकरणों से गर्मी का अच्छा निष्कासन है जो तारों से होकर गुजरने पर गर्म होते हैं। अशुद्धियों की उपस्थिति, विशेष रूप से पानी में, तरल अचालक की ढांकता हुआ ताकत को काफी कम कर देता है। तरल पदार्थों में, गैसों की तरह, उनके इन्सुलेट गुण विनाश के बाद बहाल हो जाते हैं।

ठोस डाइलेक्ट्रिक्स प्राकृतिक और मानव निर्मित दोनों तरह की इन्सुलेट सामग्री की एक विस्तृत श्रेणी का प्रतिनिधित्व करते हैं। इन डाइलेक्ट्रिक्स में विद्युत और यांत्रिक गुणों की एक विस्तृत विविधता है।

इस या उस सामग्री का उपयोग दी गई स्थापना की इन्सुलेशन आवश्यकताओं और इसके संचालन की शर्तों पर निर्भर करता है। अभ्रक, कांच, पैराफिन, एबोनाइट, साथ ही विभिन्न रेशेदार और सिंथेटिक कार्बनिक पदार्थ, बैकेलाइट, गेटिनैक्स आदि। उन्हें उच्च विद्युत शक्ति की विशेषता है।

यदि, उच्च ब्रेकडाउन ग्रेडिएंट की आवश्यकता के अलावा, उच्च यांत्रिक शक्ति की आवश्यकता सामग्री पर लगाई जाती है (उदाहरण के लिए, समर्थन और निलंबन इंसुलेटर में, यांत्रिक तनाव से उपकरण की रक्षा के लिए), विद्युत चीनी मिट्टी के बरतन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

तालिका कुछ सबसे आम डाइलेक्ट्रिक्स के ब्रेकडाउन ताकत मान (सामान्य परिस्थितियों में और लगातार स्थिर शून्य पर) दिखाती है।

ढांकता हुआ टूटने की ताकत मान

मटीरियल ब्रेकडाउन वोल्टेज, केवी / एमएम पेपर पैराफिन 10.0-25.0 एयर 3.0 मिनरल ऑयल 6.0 -15.0 मार्बल 3.0 — 4.0 मिकानाइट 15.0 — 20.0 इलेक्ट्रिकल कार्डबोर्ड 9 .0 — 14.0 मीका 80.0 — 200.0 ग्लास 10.0 — 40.0 पोर्सिलेन 6.0 — 7.5 स्लेट 1.5 - 3.0