برخی از مواد مورد استفاده در لوازم الکتریکی و مدارهای منبع تغذیه دارای خواص دی الکتریک هستند، یعنی مقاومت بالایی در برابر جریان دارند. این قابلیت به آنها اجازه عبور جریان را نمی دهد و به همین دلیل از آنها برای ایجاد عایق برای قطعات حامل جریان استفاده می شود. مواد عایق الکتریکی نه تنها برای جداسازی قطعات حامل جریان، بلکه برای ایجاد محافظت در برابر اثرات خطرناک جریان الکتریکی طراحی شده اند. به عنوان مثال، سیم های برق وسایل برقی با عایق پوشانده شده است.
مواد عایق الکتریکی و کاربردهای آنها
مواد عایق الکتریکی به طور گسترده در صنعت، رادیو و ساخت ابزار، و توسعه شبکه های الکتریکی استفاده می شود. عملکرد عادی یک وسیله الکتریکی یا ایمنی مدار منبع تغذیه تا حد زیادی به این بستگی دارددی الکتریک استفاده شده برخی از پارامترهای یک ماده در نظر گرفته شده برای عایق الکتریکی، کیفیت و قابلیت های آن را تعیین می کند.
استفاده از مواد عایق تابع مقررات ایمنی است. یکپارچگی عایق کلید کار ایمن با جریان الکتریکی است. استفاده از دستگاه هایی با عایق آسیب دیده بسیار خطرناک است. حتی یک جریان الکتریکی خفیف می تواند بر بدن انسان تأثیر بگذارد.
خواص دی الکتریک
مواد عایق الکتریکی برای انجام وظایف خود باید دارای خواص خاصی باشند. تفاوت اصلی بین دی الکتریک ها و هادی ها مقاومت حجم زیاد (109-1020 اهم سانتی متر) است. رسانایی الکتریکی هادی ها در مقایسه با دی الکتریک ها 15 برابر بیشتر است. این به دلیل این واقعیت است که عایق ها به طور طبیعی چندین برابر یون ها و الکترون های آزاد کمتری دارند که رسانایی جریان مواد را فراهم می کند. اما هنگامی که مواد گرم می شوند، تعداد بیشتری از آنها وجود دارد که به افزایش رسانایی الکتریکی کمک می کند.
بین خواص فعال و غیرفعال دی الکتریک ها تمایز قائل شوید. برای مواد عایق، خواص غیرفعال از همه مهمتر است. ثابت دی الکتریک ماده باید تا حد امکان کم باشد. این به جداساز اجازه می دهد تا ظرفیت های انگلی را وارد مدار نکند. برعکس، برای موادی که به عنوان دی الکتریک یک خازن استفاده می شود، ثابت دی الکتریک باید تا حد امکان بزرگ باشد.
گزینه های عایق
به پارامترهای اصلیعایق الکتریکی شامل مقاومت الکتریکی، مقاومت الکتریکی، گذردهی نسبی، زاویه تلفات دی الکتریک می باشد. هنگام ارزیابی خواص عایق الکتریکی مواد، وابستگی ویژگی های ذکر شده به بزرگی جریان الکتریکی و ولتاژ نیز در نظر گرفته می شود.
محصولات و مواد عایق الکتریکی در مقایسه با رساناها و نیمه هادی ها استحکام الکتریکی بیشتری دارند. همچنین برای دی الکتریک، پایداری مقادیر خاص در طول گرمایش، افزایش ولتاژ و سایر تغییرات مهم است.
طبقه بندی مواد دی الکتریک
بسته به قدرت جریان عبوری از هادی، انواع مختلفی از عایق ها استفاده می شود که در قابلیت های آنها متفاوت است.
مواد عایق برق بر اساس چه پارامترهایی تقسیم می شوند؟ طبقه بندی دی الکتریک ها بر اساس حالت تجمع آنها (جامد، مایع و گاز) و منشاء آنها (آلی: طبیعی و مصنوعی، معدنی: طبیعی و مصنوعی) است. رایج ترین نوع دی الکتریک جامد است که روی سیم های لوازم خانگی یا هر وسیله برقی دیگری دیده می شود.
دی الکتریک های جامد و مایع به نوبه خود به زیر گروه ها تقسیم می شوند. دی الکتریک های جامد شامل پارچه های لاک زده، لمینت ها و انواع مختلف میکا هستند. موم ها، روغن ها و گازهای مایع مواد عایق الکتریکی مایع هستند. دی الکتریک های گازی ویژه بسیار کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. این نوع نیز شاملعایق الکتریکی طبیعی هوا است. استفاده از آن نه تنها به دلیل ویژگی های هوا است که آن را به یک دی الکتریک عالی تبدیل می کند، بلکه به دلیل اقتصادی بودن آن نیز می باشد. استفاده از هوا به عنوان عایق نیازی به هزینه مواد اضافی ندارد.
دی الکتریک جامد
مواد عایق الکتریکی جامد گسترده ترین دسته دی الکتریک ها هستند که در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. آنها خواص شیمیایی متفاوتی دارند و ثابت دی الکتریک بین 1 تا 50000 متغیر است.
دی الکتریک های جامد به دو دسته غیر قطبی، قطبی و فروالکتریک تقسیم می شوند. تفاوت اصلی آنها در مکانیسم های قطبی شدن است. این دسته از عایق ها دارای خواصی مانند مقاومت شیمیایی، مقاومت ردیابی، مقاومت دندریتی هستند. مقاومت شیمیایی در توانایی مقاومت در برابر تأثیر محیط های مختلف تهاجمی (اسید، قلیایی و غیره) بیان می شود. مقاومت ردیابی توانایی مقاومت در برابر اثرات قوس الکتریکی را تعیین می کند و مقاومت دندریتی تشکیل دندریت ها را تعیین می کند.
دی الکتریک های جامد در زمینه های مختلف انرژی استفاده می شوند. به عنوان مثال، مواد عایق الکتریکی سرامیکی بیشتر به عنوان عایق خط و بوش در پست ها استفاده می شود. کاغذ، پلیمر، فایبرگلاس به عنوان عایق برای لوازم الکتریکی استفاده می شود. برای ماشین‌ها و دستگاه‌ها، لاک‌ها، مقوا، ترکیب بیشتر استفاده می‌شود.
برای استفاده در شرایط عملیاتی مختلف، عایق با ترکیب کردن ویژگی‌های خاص خاصی دارد.مواد: مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر رطوبت، مقاومت در برابر تشعشع و مقاومت در برابر سرما. عایق های مقاوم در برابر حرارت قادر به تحمل دمای 700 درجه سانتیگراد هستند، از جمله شیشه ها و مواد مبتنی بر آنها، ارگانوسیلیت ها و برخی پلیمرها. مواد مقاوم در برابر رطوبت و مقاوم در برابر مناطق گرمسیری فلوروپلاستیک است که غیر رطوبت گیر و آبگریز است.
عایق مقاوم در برابر تشعشع در دستگاه هایی با عناصر اتمی استفاده می شود. این شامل فیلم های معدنی، برخی از انواع پلیمرها، فایبرگلاس و مواد مبتنی بر میکا است. مقاوم در برابر یخ زدگی عایق هایی هستند که در دمای 90- درجه سانتی گراد خواص خود را از دست نمی دهند. الزامات ویژه ای برای عایق های در نظر گرفته شده برای دستگاه هایی که در شرایط فضا یا خلاء کار می کنند، قرار می گیرد. برای این منظور از مواد جاروبرقی استفاده می شود که شامل سرامیک های مخصوص می شود.
دی الکتریک مایع
مواد عایق الکتریکی مایع اغلب در ماشین ها و دستگاه های الکتریکی استفاده می شود. روغن نقش عایق را در ترانسفورماتور ایفا می کند. دی الکتریک های مایع همچنین شامل گازهای مایع، روغن های وازلین غیراشباع و پارافین، پلی ارگانوسیلوکسان ها، آب مقطر (تصفیه شده از نمک ها و ناخالصی ها) هستند.
ویژگی های اصلی دی الکتریک های مایع ثابت دی الکتریک، قدرت الکتریکی و هدایت الکتریکی است. همچنین پارامترهای الکتریکی دی الکتریک ها تا حد زیادی به درجه تصفیه آنها بستگی دارد. ناخالصی های جامد می توانند رسانایی الکتریکی مایعات را به دلیل رشد یون ها و الکترون های آزاد افزایش دهند.تصفیه مایعات با تقطیر، تبادل یونی و غیره منجر به افزایش قدرت الکتریکی ماده و در نتیجه کاهش رسانایی الکتریکی آن می شود.
دی الکتریک های مایع به سه گروه تقسیم می شوند:
- روغن های نفتی؛
- روغن های گیاهی;
- مایعات مصنوعی.
روغن های پرکاربرد روغن های نفتی مانند روغن ترانسفورماتور، کابل و خازن هستند. سیالات مصنوعی (ترکیبات آلی سیلیس و ارگانوفلوئور) نیز در مهندسی دستگاه استفاده می شود. به عنوان مثال، ترکیبات ارگانوسیلیکن مقاوم در برابر سرما و رطوبت هستند، بنابراین به عنوان یک عایق در ترانسفورماتورهای کوچک استفاده می شود، اما هزینه آنها بیشتر از قیمت روغن های نفتی است.
روغن های گیاهی عملاً به عنوان مواد عایق در فناوری عایق الکتریکی استفاده نمی شوند. اینها شامل روغن کرچک، دانه کتان، کنف و روغن تونگ است. این مواد دی‌الکتریک‌های قطبی ضعیفی هستند و عمدتاً برای آغشته کردن خازن‌های کاغذ و به‌عنوان عامل تشکیل فیلم در لاک‌های عایق الکتریکی، رنگ‌ها و لعاب‌ها استفاده می‌شوند.
دی الکتریک گاز
رایج ترین دی الکتریک های گازی هوا، نیتروژن، هیدروژن و گاز SF6 هستند. گازهای عایق الکتریکی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. هوای طبیعی به عنوان عایق بین قسمت های حامل جریان خطوط برق و ماشین های الکتریکی استفاده می شود. هوا به عنوان یک عایق دارای معایبی است که استفاده از آن را در دستگاه های آب بندی شده غیرممکن می کند.به دلیل وجود غلظت بالای اکسیژن، هوا یک عامل اکسید کننده است و در میدان های ناهمگن، قدرت الکتریکی پایین هوا ظاهر می شود.
ترانسفورماتورهای قدرت و کابل های فشار قوی از نیتروژن به عنوان عایق استفاده می کنند. هیدروژن علاوه بر اینکه یک ماده عایق الکتریکی است، خنک کننده اجباری نیز می باشد، به همین دلیل است که اغلب در ماشین های الکتریکی استفاده می شود. در تاسیسات مهر و موم شده، SF6 بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. پر کردن با گاز SF6 دستگاه را ضد انفجار می کند. به دلیل خاصیت خاموش کنندگی قوس الکتریکی در قطع کننده های مدار ولتاژ بالا استفاده می شود.
دی الکتریک های آلی
مواد دی الکتریک آلی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. دی‌الکتریک‌های آلی طبیعی در حال حاضر بسیار به ندرت استفاده می‌شوند، زیرا تولید دی‌الکتریک‌های مصنوعی بیشتر و بیشتر در حال گسترش است و در نتیجه هزینه‌های آنها کاهش می‌یابد.
برای دی الکتریک های طبیعی آلی شامل سلولز، لاستیک، پارافین و روغن های گیاهی (روغن کرچک) است. بیشتر دی‌الکتریک‌های آلی مصنوعی، پلاستیک‌ها و الاستومرهای مختلف هستند که اغلب در لوازم خانگی الکتریکی و سایر تجهیزات استفاده می‌شوند.
دی الکتریکهای غیر آلی
مواد دی الکتریک غیر آلی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. رایج ترین مواد طبیعی میکا است که مقاومت شیمیایی و حرارتی دارد. فلوگوپیت و مسکویت نیز برای عایق الکتریکی استفاده می شود.
به غیر آلی مصنوعیدی الکتریک ها شامل شیشه و مواد مبتنی بر آن و همچنین چینی و سرامیک است. بسته به کاربرد، می توان به دی الکتریک مصنوعی خواص ویژه ای داد. به عنوان مثال، سرامیک های فلدسپات برای بوشینگ ها استفاده می شود که دارای مماس تلفات دی الکتریک بالا هستند.
مواد عایق الکتریکی فیبری
مواد فیبری اغلب برای عایق کاری در دستگاه ها و ماشین های الکتریکی استفاده می شود. اینها شامل مواد با منشاء گیاهی (لاستیک، سلولز، پارچه)، منسوجات مصنوعی (نایلون، کاپرون)، و همچنین مواد ساخته شده از پلی استایرن، پلی آمید و غیره است.
مواد الیافی آلی بسیار رطوبت سنجی هستند، بنابراین به ندرت بدون اشباع خاص استفاده می شوند.
اخیراً به جای مواد ارگانیک از عایق الیاف مصنوعی استفاده می شود که از مقاومت حرارتی بالاتری برخوردار است. اینها شامل فیبر شیشه و آزبست است. الیاف شیشه با لاک ها و رزین های مختلف آغشته می شود تا خواص آبگریز آن افزایش یابد. الیاف آزبست استحکام مکانیکی کمی دارد، بنابراین اغلب الیاف پنبه به آن اضافه می شود.
