電介質及其特性、電介質的極化和擊穿強度

電導率可忽略不計的物質（體）稱為電介質或絕緣體。

電介質或非導體代表了電氣工程中使用的一大類物質，對實際用途很重要。它們用於絕緣電路，並為電氣設備賦予特殊性能，從而能夠更充分地利用製造它們的材料的體積和重量。

電介質可以是處於所有聚合狀態的物質：氣態、液態和固態。在實踐中，空氣、二氧化碳、氫氣在常態和壓縮狀態下都被用作氣態電介質。

所有這些氣體都具有幾乎無窮大的阻力。氣體的電學性質是各向同性的。來自液體物質、化學純水、許多有機物質、天然和人造油（變壓器油、貓頭鷹等）。

液體電介質還具有各向同性特性。這些物質的高絕緣質量取決於它們的純度。

例如，當從空氣中吸收水分時，變壓器油的絕緣性能會降低。實踐中使用最廣泛的是固體電介質。它們包括無機物（瓷器、石英、大理石、雲母、玻璃等）和有機物（紙、琥珀、橡膠、各種人造有機物）。

這些物質中的大多數具有很高的電氣和機械性能，並被用於 用於電器絕緣供內部和外部使用。

許多物質不僅在正常溫度下而且在高溫下都保持其高絕緣性能（矽、石英、矽矽化合物）。固體和液體電介質都有一定數量的自由電子，這就是為什麼好的電介質的電阻約為 1015 - 1016 ohm x m。

在一定條件下，電介質中會發生分子分離成離子（例如在高溫或強場的影響下），此時電介質失去絕緣性能而變成 司機.

電介質具有極化的特性，可以在其中長期存在。 靜電場.

所有電介質的一個顯著特徵不僅是對電流通過的高電阻，這取決於它們中存在的少量 電子，在整個電介質體積中自由移動，而且在電場的作用下它們的特性也會發生變化，這稱為極化。極化對電介質中的電場有很大影響。

在電氣實踐中使用電介質的主要例子之一是將電氣設備的元件與地面和彼此隔離，由於絕緣的破壞會破壞電氣裝置的正常運行並導致事故。
為避免這種情況，在電機和裝置的設計中，選擇各個元件的絕緣，一方面，電介質中的場強不會超過其任何地方的介電強度，另一方面，這種絕緣在設備的各個連接中盡可能充分地使用（沒有多餘的庫存）。
要做到這一點，首先必須知道電場在器件中是如何分佈的，然後通過選擇合適的材料及其厚度，就可以圓滿解決上述問題。

介電極化

如果在真空中產生電場，則給定點的場強矢量的大小和方向僅取決於產生場的電荷的大小和位置。如果電場是在任何電介質中產生的，那麼物理過程就會在後者的分子中發生，從而影響電場。

在電場力的作用下，軌道中的電子向與電場相反的方向位移。結果，以前中性的分子變成偶極子，原子核和軌道上的電子帶相同的電荷。這種現象稱為介質極化……當電場消失時，位移也隨之消失。分子再次變成電中性。

極化分子 - 偶極子會產生自己的電場，其方向與主（外部）場的方向相反，因此附加場與主場結合會削弱它。

電介質極化程度越高，產生的場越弱，對於產生主場的相同電荷，其在任何一點的強度越低，因此這種電介質的介電常數越大。

如果電介質處於交變電場中，則電子的位移也變得交替。這個過程導致粒子運動的增加，因此導致電介質的加熱。

電場變化得越頻繁，電介質升溫得越多。在實踐中，這種現像用於加熱濕材料以使其乾燥或獲得在高溫下發生的化學反應。

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極性和非極性電介質

儘管電介質實際上不導電，但是，在電場的影響下，它們會改變其特性。根據分子的結構和電場對其影響的性質，電介質分為兩種類型：非極性和極性（具有電子和定向極化）。

在非極性電介質中，如果不在電場中，電子會在中心與原子核中心重合的軌道上旋轉。因此，這些電子的作用可以看作是位於原子核中心的負電荷的作用。由於帶正電粒子（質子）的作用中心集中在原子核的中心，因此在外層空間，原子被視為電中性。

當這些物質被引入靜電場時，電子在場力的作用下發生位移，電子和質子的作用中心不重合。在外太空中，這種情況下的原子被視為偶極子，即由兩個相等的不同點電荷 -q 和 + q 組成的系統，它們彼此相距一定的小距離 a，等於電子軌道的中心相對於原子核的中心。

在這樣的系統中，正電荷沿場強方向移動，負電荷沿相反方向移動。外場的強度越大，每個分子中電荷的相對位移就越大。

當場消失時，電子返回到它們相對於原子核的原始運動狀態，電介質再次變為中性。電介質在電場作用下的上述性質變化稱為電子極化。

在極性電介質中，分子是偶極子。在混沌熱運動中，偶極矩一直在改變它的位置。這導致了單個分子偶極子場的補償，並且導致在電介質之外，當沒有外場時，沒有宏觀場地。

當這些物質暴露於外部靜電場時，偶極子將旋轉並沿著電場定位它們的軸。這種完全有序的排列將受到熱運動的阻礙。

在低場強下，偶極子僅在場方向上發生一定角度的旋轉，這是由電場作用和熱運動效應之間的平衡決定的。

隨著場強的增加，分子的旋轉以及極化程度相應地增加。在這種情況下，偶極電荷之間的距離 a 由偶極軸在場強方向上的投影的平均值確定。除了這種稱為定向的極化之外，這些電介質中還存在由電荷位移引起的電子極化。

上述極化模式是所有絕緣物質的基礎：氣態、液態和固態。在液體和固體電介質中，分子間的平均距離小於氣體，極化現像很複雜，因為除了電子軌道中心相對於原子核的移動或極偶極子的旋轉外，分子之間也存在相互作用。

由於在電介質的質量中，單個原子和分子僅被極化，而不會分解為帶正電和帶負電的離子，因此在極化電介質體積的每個元素中，兩個符號的電荷相等。因此，電介質在其整個體積內保持電中性。

例外情況是位於電介質邊界表面上的分子極的電荷。這些電荷在這些表面形成薄的帶電層。在均勻介質中，極化現象可以表示為偶極子的諧波排列。

電介質的擊穿強度

在正常情況下，電介質有 電導率可忽略不計…這種特性一直保持到電場強度增加到每個電介質的某個極限值。

在強電場中，電介質分子分裂成離子，而在弱電場中是電介質的物體變成導體。

電介質分子開始電離時的電場強度稱為電介質的擊穿電壓（電氣強度）。

在電氣裝置中使用時，稱為電介質所允許的電場強度的大小。 允許電壓…… 允許電壓通常比開斷電壓小數倍。確定擊穿電壓與允許的安全裕度之比... 最好的非導體（電介質）是真空和氣體，尤其是在高壓下。

介電故障

氣態、液態和固態物質的擊穿發生方式不同，取決於許多條件：電介質的均勻性、壓力、溫度、濕度、電介質厚度等。因此，在確定介電強度值時，這些通常會提供條件。

對於工作的材料，例如，在封閉的房間內並且不受大氣影響，建立正常條件（例如，溫度 + 20°C，壓力 760 mm）。濕度也正常化，有時頻率等。

氣體具有相對較低的電氣強度。所以正常情況下空氣的擊穿梯度為30 kV/cm。氣體的優點是在它們被破壞後，它們的絕緣性能很快就會恢復。

液體電介質具有稍高的電氣強度。液體的一個顯著特點是可以很好地從電流通過電線時加熱的設備中散熱。雜質（尤其是水）的存在會顯著降低液體電介質的介電強度。在液體中，就像在氣體中一樣，它們的絕緣特性在破壞後會恢復。

固體電介質代表了一大類絕緣材料，既有天然的也有人造的。這些電介質具有廣泛的電氣和機械特性。

這種或那種材料的使用取決於給定安裝的絕緣要求及其運行條件。雲母、玻璃、石蠟、硬橡膠以及各種纖維狀和合成有機物、膠木、getinax等。它們的特點是高電氣強度。

如果除了要求高擊穿梯度外，還要求材料具有高機械強度（例如，在支撐和懸式絕緣子中，以保護設備免受機械應力），則廣泛使用電瓷。

該表顯示了一些最常見的電介質的擊穿強度值（在正常條件下且恆定為零）。

介電擊穿強度值

材料 擊穿電壓，kv/mm 石蠟浸漬紙 10.0-25.0 空氣 3.0 礦物油 6.0 -15.0 大理石 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 電氣紙板 9 .0 — 14.0 雲母 80.0 — 200.0 玻璃 10.0 — 40.0 瓷器 6.0 — 7 .5 板岩 1.5 — 3.0