Elektrimaterjalide referaat-dielektrikud (4)

Dielektrikud ja nende kasutamine

TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL

Triin Pille
DIELEKTRIKUD JA NENDE KASUTAMINE
REFERAAT
Õppeaines: ELEKTRIMATERJALID

Mehaanikateaduskond

Õpperühm KTI 11/21

Juhendaja : Uuno Muiste

Tallinn 2009

Sisukord

TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL 1
Mehaanikateaduskond 1
Õpperühm KTI 11/21 1
Juhendaja: Uuno Muiste 1
Sisukord 2
Sissejuhatus 3
1.DIELEKTRIKUD 4
1.1 Elektrilised põhiomadused 4
1.2Mitteelektrilised omadused 6
2. Isoleermaterjalid ja nende kasutamine 7
2.1 Gaasid 7
2.2 Vedelikud 8
2.3 Tahked isoleermaterjalid 9
2.4 Vilk 10
2.5 Klaas 10
2.6 Keraamika ja muud 10
Kokkuvõte 11
Kasutatud kirjandus 12
Sissejuhatus 3
1.Dielektrikud 4
1.1 Elektrilised põhiomadused 4
1.2 Mitteelektrilised omadused 6
2. Isoleermaterjalid ja nende kasutamine 7
2.1 Gaasid 7
2.2 Vedelikud 8
2.3 Tahked isoleermaterjalid 9
2.4 Vilk 10
2.5 Klaas 10
2.6 Keraamika ja muud 11
Kokkuvõte 12
Kasutatud kirjandus 13

Sissejuhatus

Elektriseadmete ühikvõimsuse ja nimipingete pidev kasv energeetikas, seadmete mõõtmete ja massi vähendamine sides ja infotehnoloogias, töötamine raskendatud tingimustes (erinevad temperatuurid,kiirgused jms) esitavad järjest rangemaid nõudmisi elektrimaterjalidele ja nõuavad uute materjalide väljatöötamist ning evitamist. Oluline on ka majanduslik külg, materjali valik, mis võimaldaks antud tehnilistele tingimustele vastava kõige optimaalsema lahenduse.
Klassikaliselt jagunevad elektrimaterjalid: dielektrikud (isoleermaterjalid), pooljuhid, elektrijuhid, magnetmaterjalid. Lisaks on tänapäeval lisandunud elektrimaterjale, mis omadustelt kuuluvad mitmesse liiki või ei sobi üldse varasemalt antud klassikalise klassifikatsiooniga.
Käesolevad töös annan ülevaate dielektrikutest ehk (elektri)isoleermaterjalidest.Mõiste dielektrik on siiski mõnevõrra laiem mõiste,kuna lisaks isoleermaterjalidele kuuluvad sinna ka näiteks elektreedid ja piesoelektrikud.

1.DIELEKTRIKUD

1.1 Elektrilised põhiomadused

Dielektrikud leiavad kasutust peamiselt elektriisoleermaterjalidena.
Dielektrikutel on väga väike elektrijuhtivus ja nad polariseeruvad elektriväljas. Dielektrikuid iseloomustavad järgmised elektrilised omadused: polarisatsioon , elektrijuhtivus, elektriline tugevus ja dielektrikuskaod.
. Aine ehituse poolest jagunevad dielektrikud neutraalseteks ja polaarseteks. Neutraalsed dielektrikud koosnevad aatomitest ja molekulidest, mille positiivse ja negatiivse laengu keskmed ühtivad (nt vesinik , inertgaasid ). Polaarsed dielektrikud koosnevad molekulidest,mille positiivsete ja negatiivsete laengute keskmed ei ühti ( nt tekstoliit ).Polaarse aine molekul moodustab elektrilise dipooli , st süsteemi, kus kaks võrdset vastasmärgilist laengut asuvad üksteisest teatud kaugusel.
Dielektrikuid iseloomustavad järgmised elektrilised omadused: polarisatsioon, elektrijuhtivus, elektriline tugevus ja dielektrikuskaod.

Dielektrikute polarisatsioon
Polarisatsioon on üks põhiline dielektrikus elektrivälja mõjul toimuv protsess, mis on seotud laengute piiratud nihkumise või diapoolide orienteerimisega elektrivälja mõjul. Polariseerivad nii polaarsed kui ja neutraalsed materjalid.
Neutraalsetes dielektrikutes nihkuvad erinimelised laengud aatomis ja molekulis vastassuundades ning positiivse ja negatiivse laengu keskmed enam ei ühti. Mida suurem on rakendatud elektrivälja tugevus, seda suurem on nihkumine .Polaarsetes paiknevad diapoolid soojusliikumisetüttu kaootiliselt.Kui sellisele doelektrikule rakendada elektriväli, siis see püab pöörata diapoole selliselmet eed oleksid orienteeritud mõjuva elektrivälja jõujoonte sihis.

Dielektrikute elektrijuhtivus
Polarisatsioon on seotud laengute nihkumine.See põhjustab dielektrikud lühiajalise voolu, mida nimetatakse nihkevooluks. Alalispingel kestab see vool senikaua, kuni polarsisatsioon jõuab välja kujuneda. See aeg on, olenevalt polarsisatsiooni liigist, väga lühike , ulatudes 10-15s kuni maksimaalselt mõne minutini. Vahelduvpingel kestab nihkevool kogu selle aja vältel, mil dielktrik asub elektriväljas. Tehnilistes dielektrikutes esineb alati ka väike hulk vabu lanegukandjaid , enamasti ioone. Nende liikumine elektriväljas põhjustab juhtivusvoolu.Seega koosnev dielektrikut läbiv vool i kahest komponendist : i= in+jj.
Tahketel materjalidel eristatakse mahu-ja pinnatakistust. Erinevate materjalide elktrijuhtivuse võrdlemiseks kasutatakse mahueritakistuse p ja pinnaeritakistuse ps mõisteid. Nende pöördväärtused on mahu- ja pinnaerijuhtivused ɤ ja ɤs.
Mahueritakistuseks nimetatakse antud materjalist valmistatud 1m servapikkusega kuubi takistust, kui elektroodideks on kuubi vastastahud ja vool piki kuubi pinda puudub. Mahueritakistuse ühikuks on oom Ω.

Mitteelektrilised omadused

Isoleermaterjali valikul mingi seadme jaoks ei piisa ainult selle elektriliste omaduste tundmisest normaaltingimustel, vaid peab tähelepanu pöörama ka nende omaduste stabiilsusele kõrge ja madala temperatuuri, ümbritseva keskkonna erineva niiskuse ja muude eritingimuste puhul­. Kuna isoleermaterjalid on tihti samaaegselt ka kontruktsioonimaterjalid, siis peab tähelepanu pöörama ka materjalide mehaanilistele omadustele: surve-,tõmbe-, ja paindetugevusele, kõvadusele, elastsusele jne.
Isoleermaterjalide kasutamise võimalus laias temperatuurivahemikus on tehnikas väga oluline.Pikaajalisel soojenemisel halvenevad dielektriku omadused mitmesuguste protsesside tõttu. Seda nimetatakse dielektriku soojuslikuks vananemiseks.Soojuslikust seisukohast iseloomustavad dielektrikut peamiselt kuumuskondlus,külmakindlus, soojusjuhtivus .

Kuumuskindlus
Kuumuskindluse all mõistetakse dielektriku võimet taluda kõrget temperatuuri, ilma, et tema omadused eriti halveneksid. Suurima lubatud temperatuuri järgi on dielektrikud jagatud kuumuskindlusklassidesse:
KLASS
Lubatud temperatuur oC
Näited
Y
90
Polüeteen, polüstürool,immutamata paber ja papp
A
105
Immutatud paber ja papp, polüamiidkiled
E
120
Tekstoliit, getinaks, eposüretaanvaigud
B
130
Orgaaniliste sidematerjalidega mikaniidid,klaastekstoliit
F
155
Mikaniidid ja klaaskiudmaterjalid koos kuumuskindlate sideainetega
H
180
Räniorgaanilised lakid ja nendega liimitud mikaniidid ja klaaskuidmaterjalid
C
>180
Vilk ja klaaskiudmaterjalid, fluoplastid

Külmakindlus
Külmakindlus võimaldab hinnata dielektrikute vastupidavust madalate temperatuuridele. Paljud materjalid kaotavad elastsuse ja pragunevad painutamisel.Seda nähtust kasutataksegi sageli materjalide külmakindluse määramisel.

Niiskuskindlus
Niiskuskindluse all mõistetakse dielektriku võimet pidevalt töötada niiskes keskkonnas, ilma, et tema omadused eriti muutuksid.Õhus esineb alati teatud määral veeauru.Vesi on tugevalt polaarne madala eritakistusega vedelik, seega halvendab vedeldielektrikusse sattunud või tahke dielektriku pooridesse tunginud vesi tunduvalt dielektriku omadusi. Vee molekul on väga väike , seepärast võib see kergesti tungida väikse polaarsusega materjalidesse, Niiskuskindluse parandamiseks kaetakse tahked isoleermaterjalid mittemärguvate lakkide ja glasuuridega.

2. Isoleermaterjalid ja nende kasutamine

2.1 Gaasid

Isomeermaterjalidena leiavad kõige rohkem kasutust õhhhk, lämmastik ja elegaas . Tihti isoleermaterjalidena kasutatavatel gaasidel ka teisi funktsioone, näiteks jahutamine . Kõige sagedamini on gaasilisek sdielektrikuks õhk. Õhk on isoleermaterjaliks näiteks õhuliini juhtmete ja mitmesuguste kõrg- ja madalpingeseadmete voolujuhtiovate osade vahel. Sageli on õhk samal ajal ka jahutavaks keskkonnaks ja õhklõlitites elektrikaart kustutavaks keskkonnaks.Õhu elektriline tugevus ei ole suur, seepärast on kõrgepingeseadmetes voolujuhtivate osade vahekaugus suur ja õhkisolatsiooniga seadmed suurte mõõtmetega.
Seda puudust leevendab elegaasi kasutamine.Elegaasi elektriline tugevus ületab õhu vastava näitaja u 2,5x, ta ei ole mürgine ,ei lagune alla 500oC temperatuuril ja on suhtleiselt odav.
Elegaas leiab laialdast kasutust gaasisolatsioonidega jaotlates, trafodes, võimsuslülitites jne.
Elegaasi puuduseks on rõhu all oleva gaasi veeldumine suhteliselt kõrgel temperatuuril. Seda annab vältida, kasutades elegaasi ja lämmastiku segu.
Veel tuntakse gaasiliste isoleermaterjalidena vesinikku ja intergaase. Vesinikku kasutatakse ka tema väikese tiheduse ja suure elektrimahutavuse tõttu laialdaselt suurte elektrimasinate jahutamisel. Intergaase kasutatakse peamiselt hõõg. Ja gaasilahenduslampide täitmiseks .
Elektrotehnikas kasutatavate gaaside omadused:
Gaas
Tihedus
Kg/m3
El.tugevus
Kv/mm
Soojusmahtuvus
kJ/kg oK
Veeldumistemp.
oK
Õhk
1,29
3,0
1,01
79
Lämmastik N2
1,25
3,0
1,06
77
Elegaas SF6
6,39
7,2
0,62
209
Vesinik H2
0.09
1,8
14,2
20
Neoon Ne
0.90
0,4
1.03
27
Argoon Ar
1,78
0,52
87
Krüptoon Kr
3,47
0,25
120
Ksenoon Xe
5,58
0,16
166
Heelium He
0,18
0,4
5,20
4,2

• Gaaside parameetrid on antud temperatuuril 20oC ja normaalrõhul 101,3 kPa
  

2.2 Vedelikud

Isolatsioonis kasutatavate vedelike ülesanne on lisaks isoleerimisele ka seadmete voolujuhitavate osade jasutamine. Vedeldielektrikuid kasutatakse ka poorsete tahteke ainete immutamiseks. Tavaliselt toimub immutamine vaakumis , mis garanteerib, et pooridesse ja tühimikesse ei jääks õhtku. Immutamine tõstab isoleermaterjali elektrilist tugevust märgatavalt. Mõnikord on vedeldielektriku ülesandeks ka elektrikaare kustutamise hõlbustamine.
Kõige sagedamini kasutatavad vedelikud on naftast valmistatud isoleerõlid. Traditsiooniliselt on neist kasutusel trafoõli, kondensaatoriõli ja kaabliõli. Trafoõli kasutamiseks ka poorsete isoleermaterjalide immutamiseks ja õlilülitites elektrikaare kustutamiseks.
Trafoõli põhiomadused:
Suhteline dielektriline läbitavus
2,1 ...2,3
Mahueritakistus
1010 .... 1013
Kaonurga tangens
0,001...0,02
Elektriline tugevus
20...40 kV/mm

2.3 Tahked isoleermaterjalid

Tahked isoleermaterjalid moodistavad kõige suurema isoleermaterjalide grupi. Kasutatakse nii looduslikke kui ja tehismaterjale. Laiemalt on levinud tehismaterjalid, kuna neid saab valmistada ette antud elektriliste, mehaaniliste ja füüsikalis-keemiliste omadustega.
2.3.1 Polümeerid
Polümeerid on kõrgemolekulaarsed orgaanilised materjalid. Elektrotehnikas leiavad kasutust looduslikud ja tehispolümeerid. Polümeeride molekulid moodustavad ühe või mitme madalmolekulaarse ühendi liitmisel, mis võib toimuda kas polümerisatsiooni teel. Vananemise aeglustamiseks võidakse polümeeridele lisada stabilisaatoreid.
Looduslike polümeeride hulka kuuluvad kumm,paber,looduslikud vaigud . Kummi valmistamise lähteaineks on kautsuk .Kummi valmistamiseks ja omaduste parandamiseks kautsuk vulkaniseeritakse ehk lisatakse kautsukile väävlit ja kuumutatakse.
Tänapäeval kasutatakse loodusliku kautsuki asemel üha rohkem sünteetilisi kautsukeid.Sõltuvalt koostisest on võimalik saada eriomadustega kumme: õlikindlaid,kuumusekindlaid jne. Kummitooteid kasutatakse elektrotehnikas juhtmete isoleerimiseks , kaitsekestadeks, isoleerkaitsevahenditeks (kindad,kalossid jn e) valmistamiseks.
Paber ja papp on tselluloosi baasil valmistatud materjalid. Elektrotehnikas kasutatakse peamiselt kondensaatori- ja kaablipaberit. Kuiv paber on polaarne ja kergesti niiskuv, mis halvendab paberi elektrilisi omadusi. Omaduste parandamiseks paber kuivatatakse ja seejärel immutatakse mineraalõli või mõne sünteetilise vedeldielektrikuga.
Tehispolümeerid moodustavad laia ja mitmekesise isoleermaterjalide rühma.Enim levinud tehispolümeer on polüeteen, mis on lieaarse struktuuriga termoplastiline polümeer.See on mehaaniliselt tugev, seejuures elastne materjal ning sel on head elektrilised omadused. Kasutatakse laialdaselt isoleermaterjalina ning torude,kile,tarbeesemete jms valmistamiseks.Kasutatakse ka kõrgepingekaablite isolatsioonina.
Veel enim kasutatavaid tehispolümeere: polüstüreen (löögikindluse suurenamiseks kasutatakse koos kautsuki lisandiga); polüvinüülkloriid (e PVC, tänu suurele kloorisisaldusele peaaegu ei põlegi,püsiv hapete,bensiini jms suhtes); polüamiid (kasutatakse sünteeskiudude, lakkide,värvide ja liimide tootmiseks); räniorgaanilised polümeerid ( e silikoonid,taluvad kõrgeid temperatuure ) jne.

2.4 Vilk

Levinuim anorgaaniline dielektrik.Looduses leidub vilku kristallidena.Kasutatakse nii puhtal kujul kui ka erinevate lisanditeha.Koos lisanditega on elektrilised omadused märksa nõrgemad.Jahvatatud vilgu ja kergesti sulava klaasi kuumpressimisel saadakse kergesti töödeldav kuumakindel materjal mikaleks.
Vilku kasutatakse erineval kujul kommutaatorites ning tänu headele omadustele kasutatav paljudes teistes kohtades isoleermaterjalina.

2.5 Klaas

Anorgaaniline termoplastne materjal.Omadused sõltuvad koooostisse lisatud oksiididest.Mehaanilistest koormustest talub klaas hästi survet .See on põhjus,miks klaasidetaile konstrueeritakse nii, et nad ei töötaks tõmbeolukorras.Karastatud klaas ei lõhene vaid puruneb väikesteks kildudeks, tänu isolaatori kavalale konstruktsioonile ei kaota isolaator sel juhul oma mehaanilist tugevust ja see võimaldab kergesti leida vigaseid isolaatoreid.

2.6 Keraamika ja muud

Keraamilisteks nimetatakse materjale, mida saadakse eelnevalt tooteks vormitud mineraalsete pulbrite paagutamisel. Tehnokeraamika rühma kuuluva elektrokeraamika valmistamise toormaterjalideks on savi, kvarts,kips ,kriit jms. Peale savide kasutatakse raadiotehnilise keraamika valmistamisel baariumi -, titaani-, jt oksiide .Need parandavad materjali eletrilisi ja mehaanilisi omadusi.
Elektrotehnikas kasutatakse keraamikat: madal- ja kõrgepingeisolaatorites, elektro -,raadio-,ja mõõtetehnikas jms.

Kokkuvõte

Tänu arenenud tehnoloogiale on tänapäeval väga laialdased võimalused erinevate isoleermaterjalide tootmiseks ja loomiseks. Sellest tulenevalt saab muuta masinaid,seadmeid jms töökindlamaks, vastupidavamaks, ergonoomilisemaks ning iga iga valdkonna jaoks on olemas sobilikud materjalid ning lisandud soovitud toote valmistamiseks.
Antud tööd koostades sain lühiülevaate peamiselt kasutatavatest materjalidest nind nende lisanditest.

Kasutatud kirjandus

1.Enn Hendre , Priit Kulu jt TTÜ Kirjastus „ Materjalitehnika “
2. Priit Kulu, Daniel Arensburger jt TTÜ Kirjastus „ Materjaliõpetus“
3. www.annaabi.com
4. www. usinmasin .pri.ee

13