电介质及其特性、电介质的极化和击穿强度

电导率可忽略不计的物质（体）称为电介质或绝缘体。

电介质或非导体代表了电气工程中使用的一大类物质，对实际用途很重要。它们用于绝缘电路，并为电气设备赋予特殊性能，从而能够更充分地利用制造它们的材料的体积和重量。

电介质可以是处于所有聚合状态的物质：气态、液态和固态。在实践中，空气、二氧化碳、氢气在常态和压缩状态下都被用作气态电介质。

所有这些气体都具有几乎无穷大的阻力。气体的电学性质是各向同性的。来自液体物质、化学纯水、许多有机物质、天然和人造油（变压器油、猫头鹰等）。

液体电介质还具有各向同性特性。这些物质的高绝缘质量取决于它们的纯度。

例如，当从空气中吸收水分时，变压器油的绝缘性能会降低。实践中使用最广泛的是固体电介质。它们包括无机物（瓷器、石英、大理石、云母、玻璃等）和有机物（纸、琥珀、橡胶、各种人造有机物）。

这些物质中的大多数具有很高的电气和机械性能，并被用于 用于电器绝缘供内部和外部使用。

许多物质不仅在正常温度下而且在高温下都保持其高绝缘性能（硅、石英、硅硅化合物）。固体和液体电介质都有一定数量的自由电子，这就是为什么好的电介质的电阻约为 1015 - 1016 ohm x m。

在一定条件下，电介质发生分子分离成离子（例如在高温或强场的影响下），在这种情况下电介质失去绝缘性能并成为 司机.

电介质具有极化的特性，可以在其中长期存在。 静电场.

所有电介质的一个显着特征不仅是对电流通过的高电阻，这取决于它们中存在的少量 电子，自由移动通过电介质的整个体积，而且在电场的作用下它们的性质也会发生变化，这称为极化。极化对电介质中的电场有很大影响。

在电气实践中使用电介质的主要例子之一是将电气设备的元件与地面和彼此隔离，由于绝缘的破坏会破坏电气装置的正常运行并导致事故。
为避免这种情况，在电机和装置的设计中，选择各个元件的绝缘，一方面，电介质中的场强不会超过其任何地方的介电强度，另一方面，这种绝缘在设备的各个连接中尽可能充分地使用（没有多余的库存）。
要做到这一点，首先必须知道电场在器件中是如何分布的，然后通过选择合适的材料及其厚度，就可以圆满解决上述问题。

介电极化

如果在真空中产生电场，则给定点的场强矢量的大小和方向仅取决于产生场的电荷的大小和位置。如果电场是在任何电介质中产生的，那么物理过程就会在后者的分子中发生，从而影响电场。

在电场力的作用下，轨道中的电子向与电场相反的方向位移。结果，以前中性的分子变成偶极子，原子核和轨道上的电子带相同的电荷。这种现象称为介质极化……当电场消失时，位移也随之消失。分子再次变成电中性。

极化分子 - 偶极子会产生自己的电场，其方向与主（外部）场的方向相反，因此附加场与主场结合会削弱它。

电介质极化程度越高，产生的场越弱，对于产生主场的相同电荷，其在任何一点的强度越低，因此这种电介质的介电常数越大。

如果电介质处于交变电场中，则电子的位移也变得交替。这个过程导致粒子运动的增加，因此导致电介质的加热。

电场变化得越频繁，电介质升温得越多。在实践中，这种现象用于加热湿材料以使其干燥或获得在高温下发生的化学反应。

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极性和非极性电介质

尽管电介质实际上不导电，但是，在电场的影响下，它们会改变其特性。根据分子的结构和电场对其影响的性质，电介质分为两种类型：非极性和极性（具有电子和定向极化）。

在非极性电介质中，如果不在电场中，电子会在中心与原子核中心重合的轨道上旋转。因此，这些电子的作用可以看作是位于原子核中心的负电荷的作用。由于带正电粒子（质子）的作用中心集中在原子核的中心，因此在外层空间，原子被视为电中性。

当这些物质被引入静电场时，电子在场力的作用下发生位移，电子和质子的作用中心不重合。在外太空中，这种情况下的原子被视为偶极子，即由两个相等的不同点电荷 -q 和 + q 组成的系统，它们彼此相距一定的小距离 a，等于电子轨道的中心相对于原子核的中心。

在这样的系统中，正电荷沿场强方向移动，负电荷沿相反方向移动。外场的强度越大，每个分子中电荷的相对位移就越大。

当场消失时，电子返回到它们相对于原子核的原始运动状态，电介质再次变为中性。电介质在电场作用下的上述性质变化称为电子极化。

在极性电介质中，分子是偶极子。在混沌热运动中，偶极矩一直在改变它的位置。这导致了单个分子偶极子场的补偿，并且导致在电介质之外，当没有外场时，没有宏观场地。

当这些物质暴露于外部静电场时，偶极子将旋转并沿着电场定位它们的轴。这种完全有序的排列将受到热运动的阻碍。

在低场强下，偶极子仅在场方向上发生一定角度的旋转，这是由电场作用和热运动效应之间的平衡决定的。

随着场强的增加，分子的旋转以及极化程度相应地增加。在这种情况下，偶极电荷之间的距离 a 由偶极轴在场强方向上的投影的平均值确定。除了这种称为定向的极化之外，这些电介质中还存在由电荷位移引起的电子极化。

上述极化模式是所有绝缘物质的基础：气态、液态和固态。在液体和固体电介质中，分子间的平均距离小于气体，极化现象很复杂，因为除了电子轨道中心相对于原子核的移动或极偶极子的旋转外，分子之间也存在相互作用。

由于在电介质的质量中，单个原子和分子仅被极化，而不会分解为带正电和带负电的离子，因此在极化电介质体积的每个元素中，两个符号的电荷相等。因此，电介质在其整个体积内保持电中性。

例外情况是位于电介质边界表面上的分子极的电荷。这些电荷在这些表面形成薄的带电层。在均匀介质中，极化现象可以表示为偶极子的谐波排列。

电介质的击穿强度

在正常情况下，电介质有 电导率可忽略不计…这种特性一直保持到电场强度增加到每个电介质的某个极限值。

在强电场中，电介质分子分裂成离子，而在弱电场中是电介质的物体变成导体。

电介质分子开始电离时的电场强度称为电介质的击穿电压（电气强度）。

在电气装置中使用时，称为电介质所允许的电场强度的大小。 允许电压…… 允许电压通常比开断电压小数倍。确定击穿电压与允许的安全裕度之比... 最好的非导体（电介质）是真空和气体，尤其是在高压下。

介电故障

气态、液态和固态物质的击穿发生方式不同，取决于许多条件：电介质的均匀性、压力、温度、湿度、电介质厚度等。因此，在确定介电强度值时，这些通常会提供条件。

对于工作的材料，例如，在封闭的房间内并且不受大气影响，建立正常条件（例如，温度 + 20°C，压力 760 mm）。湿度也正常化，有时频率等。

气体具有相对较低的电气强度。所以正常情况下空气的击穿梯度为30 kV/cm。气体的优点是在它们被破坏后，它们的绝缘性能很快就会恢复。

液体电介质具有稍高的电气强度。液体的一个显着特点是可以很好地从电流通过电线时加热的设备中散热。杂质（尤其是水）的存在会显着降低液体电介质的介电强度。在液体中，就像在气体中一样，它们的绝缘特性在破坏后会恢复。

固体电介质代表了一大类绝缘材料，既有天然的也有人造的。这些电介质具有广泛的电气和机械特性。

这种或那种材料的使用取决于给定安装的绝缘要求及其运行条件。云母、玻璃、石蜡、硬橡胶以及各种纤维状和合成有机物、胶木、getinax等。它们的特点是高电气强度。

如果除了要求高击穿梯度外，还要求材料具有高机械强度（例如，在支撑和悬式绝缘子中，以保护设备免受机械应力），则广泛使用电瓷。

该表显示了一些最常见的电介质的击穿强度值（在正常条件下且恒定为零）。

介电击穿强度值

材料 击穿电压，kv/mm 石蜡浸渍纸 10.0-25.0 空气 3.0 矿物油 6.0 -15.0 大理石 3.0 — 4.0 Mikanite 15.0 — 20.0 电气纸板 9 .0 — 14.0 云母 80.0 — 200.0 玻璃 10.0 — 40.0 瓷器 6.0 — 7 .5 板岩 1.5 — 3.0