4.3
Základní vlastnosti izolačních materiálů
  1. Polarizace
Polarizace charakterizuje změny polohy molekul materiálu v závislosti na přiloženém elektrickém poli, po zániku tohoto elektrického pole se molekuly vrátí do původních poloh (nabité částice se otáčejí k opačně nabitým elektrodám).
Dipóly mohou být:
  • permanentní (dipólová polarizace),
  • indukované (elektronová polarizace),
  • spontánní – polarizace vzniká při chladnutí taveniny feroelektrických látek bez přispění vnějšího pole. Jsou náhodně orientovány – vznikají domény, které mění tvar v závislosti na vnějším elektrickém poli:
    • feroelektrika: polarizace je u těchto materiálů nelineárně závislá na intenzitě elektrického pole E (polarizace ve střídavém poli je znázorněna hysterezní smyčkou), s rostoucí teplotou polarizace klesá, při Curieově teplotě zaniká (příkladem materiálu je BaTiO3); využití je u kondenzátorů proměnných elektrickým polem, kdy intenzitou můžeme měnit jeho kapacitu;
    • pyroelektrika: jsou to materiály, u nichž využíváme výše uvedenou teplotní závislost, v okolí Curieovy teploty je pokles polarizace tak strmý, že jej lze využít pro detekci teploty (změna teploty na elektrický signál – například IR detektory);
    • piezoelektrika: jsou to materiály, u nichž lze vyvolat elektrickou polarizaci pružnou deformací (také opačně), používají se jako elektromechanické měniče;
    • elektrety: tyto materiály si po zpolarizování udržují polarizaci, použití je také pro elektromechanické měniče
  1. Permitivita
Permitivita charakterizuje vliv elektrického pole na elektrický stav izolantu. Je stanovena vztahem: ε=DE ; kde D je elektrická indukce a E intenzita elektrického pole. Rozlišujeme absolutní (ε), poměrnou (εr) permitivitu materiálu a permitivitu vakua (ε0 = 8,854.10-12 F.m-1).
Jsou ve vztahu: ε=ε0.εr . Relativní permitivita materiálu se může měnit v závislosti na kmitočtu, teplotě i velikosti intenzity elektrického pole. Figuruje také ve vztahu pro výpočet kapacity deskového kondenzátoru: C=εr.ε0.Sd , kde S a d jsou plocha a vzdálenost desek. Relativní permitivita vzduchu je přibližně rovna jedné. Velkou relativní permitivitu mají feroelektrické materiály.
Podle tvaru závislosti elektrostatické indukce na intenzitě elektrického pole lze dielektrika rozdělit na lineární (v obrázku 13 označeno přímkou a) a nelineární (označeno písmenem b). Písmenem c je označena diferenciální permitivita – tečna k obecné křivce (její sklon se mění). Počáteční permitivita (označena d) je dána tečnou v počátku souřadnic, důležitá je při práci s malými signály. Maximální permitivitou rozumíme největší dosažitelný sklon tečny procházející počátkem soustavy souřadnic (označena e).
+
13. Závislost elektrostatické indukce na intenzitě elektrického pole
Obr. 13. Závislost elektrostatické indukce na intenzitě elektrického pole
  1. Dielektrické ztráty
Jde o ztráty způsobené vodivostí dielektrika PZ=Ri.Isv2=U2Ri , energie elektrického pole se mění na teplo, které vzniká při působení stejnosměrného i střídavého pole. Charakterizujícím parametrem pro dielektrické ztráty je činitel dielektrické ztráty označovaný tgδ, jenž lze vyjádřit ze ztrátového výkonu: PZ=U2.ω.C.tgδ ; kde ɷ je úhlová frekvence.
V dielektriku se pohybují volné a vázané náboje (posuvný proud), část jejich energie se změní v teplo při srážkách s okolními volnými nosiči náboje nebo neutrálními částicemi.
  1. Elektrický průraz dielektrika
Údajem charakterizujícím materiál je také průrazné napětí, což je napětí, pod kterým je izolační materiál schopen plnit svou funkci. Při překročení tohoto napětí přestává platit v dielektriku Ohmův zákon, dochází skokem (10-8 s) ke ztrátě izolačních schopností – elektrickému průrazu. Ep=Upd , kde Up je průrazné napětí a d je tloušťka materiálu, tedy vzdálenost elektrod. Závisí na tvaru a vzdálenosti elektrod.
Růst intenzity elektrického pole má postupně tyto následky:
  • vytváření elektrických dipólů nebo natáčení permanentních;
  • deformace dipólů;
  • ionizace stavebních částic (tedy vytváření iontů);
  • nárazovou ionizaci;
  • lavinovou ionizaci.
Mechanismus průrazu není dosud univerzálně vysvětlen. Je znám princip průrazu ve vakuu, plynech, méně pak v pevných látkách a nejméně v kapalinách.
  • Průraz vakua: je způsoben autoemisí elektronů z katody při intenzitě pole E = 10 MV/cm při pokojové teplotě.
  • Průraz plynu: je způsoben nárazovou ionizací, při velké intenzitě elektrického pole dochází ke generaci páru elektron – iont, elektrony jsou vzhledem k malé hmotnosti urychleny elektrickým polem, při srážce s dalším atomem z něho mohou vyrazit elektron; při návratu elektronu na původní hladinu dojde k emisi fotonu záření, které může ionizovat další atom nebo molekulu.
Fotony se pohybují velice rychle, takže ionizovaná částice může být relativně daleko (vysvětluje to, že průraz nastává v celé dráze téměř současně). V místě průrazu je pak směs elektronů a iontů, která vytvoří plazmu elektrického výboje. V souvislosti s intenzitou elektrického pole prochází stav plynu různými stádii: elektrické pole se neprojevuje – koróna – jiskrový výboj – obloukový výboj.
  • Průraz kapalin: vzhledem k menší vzdálenosti mezi molekulami je potřeba k vyvolání nárazové ionizace větší intenzity pole (pro urychlení částice je menší prostor mezi srážkami)
V případě znečištění dochází k větší interakci molekul kapalného izolantu a nečistot (elektrická pevnost je velmi citlivá i na minimální množství nečistot, měření s chemicky čištěnými látkami mají nedostatečnou reprodukovatelnost, fyzikálně čištěné kapaliny mají pevnost až 1 MV/cm – srovnatelnou s elektrickou pevností pevných izolantů).
  • Průraz pevných látek: průrazy elektronové povahy jsou nevratné, jejich vznik souvisí s volnou dráhou elektronu (její délkou).
Pokud elektron zrekombinuje, nemusí dojít k ionizaci dalších částic. S rostoucí teplotou nebo intenzitou ionizujícího záření roste koncentrace volných elektronů a elektrická pevnost klesá.
    • Elektrochemický průraz: pod vlivem elektrického pole dochází k nevratným chemickým změnám, zhoršení izolačních vlastností v důsledku elektrolýzy při použití stejnosměrného pole.
    • Tepelný průraz: důsledek tepelně neelektrické rovnováhy, teplo vzniklé dielektrickými ztrátami je lokálně větší než teplo odvedené, dochází k lokálnímu přehřívání materiálu; k prvotnímu lokálnímu přehřátí dochází v místě nehomogenit (porucha krystalové mřížky – atom nečistoty a podobně).
Průraz izolantu představuje vždy nekontrolovatelné zvýšení elektrické vodivosti materiálu, které může být dočasné, nebo trvalé.
Elektrický průraz nastává vlivem nárazové ionizace okamžitě po zavedení pole (jiskra, záblesk).
Tepelný průraz nastává při dlouhodobém tepelném namáhání elektrickým polem v místě nehomogenit, kde se nestačí odvést vzniklé teplo. Materiál začne uhelnatět, až se stane vodivým. Narozdíl od elektrického průrazu jde o dlouhodobý děj.
  1. Elektrická vodivost izolačních materiálů
Je způsobena zejména volnými ionty znečišťujících příměsí, je spojena s pohybem elektrického náboje v látkovém prostředí. Dělíme ji na několik kategorií: elektronovou, děrovou, iontovou, protonovou a elektroforetickou. Elektrický odpor izolantů dělíme na vnitřní, povrchový, izolační.
  1. Tepelné vlastnosti
Nadměrné tepelné namáhání izolantu způsobuje jeho zrychlené stárnutí a ovlivňuje tak životnost zařízení (s ohledem na spolehlivost a bezpečnost). Izolanty dělíme do tříd podle použitelnosti při vyšších teplotách.
  1. Mechanické vlastnosti
Jde zejména o různé zkoušky pevnosti, metody obrábění, podobně jako u konstrukčních materiálů.
  1. Vliv vlhkosti na izolant
Na vlhkost svého okolí jsou citlivé zejména pórovité izolanty organického původu. Navlhnutí má za následek zvětšení elektrické vodivosti a dielektrických ztrát izolantu, dále zmenšení elektrické pevnosti, degradaci mechanických vlastností a korozi.