Elektrikli cihazlarda ve güç kaynağı devrelerinde kullanılan bazı malzemeler dielektrik özelliklere sahiptir, yani akıma karşı yüksek direnç gösterirler. Bu yetenek, akımı geçmemelerini sağlar ve bu nedenle akım taşıyan parçalar için yalıtım oluşturmak için kullanılırlar. Elektrik yalıtım malzemeleri sadece akım taşıyan parçaları ayırmak için değil, aynı zamanda elektrik akımının tehlikeli etkilerine karşı koruma sağlamak için de tasarlanmıştır. Örneğin, elektrikli cihazların güç kabloları yalıtımla kaplanmıştır.
Elektrik yalıtım malzemeleri ve uygulamaları
Elektrik yalıtım malzemeleri endüstride, radyo ve enstrüman yapımında ve elektrik şebekelerinin geliştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir elektrikli cihazın normal çalışması veya bir güç kaynağı devresinin güvenliği büyük ölçüde şunlara bağlıdır:kullanılan dielektrikler. Elektrik yalıtımı için tasarlanan bir malzemenin bazı parametreleri, kalitesini ve yeteneklerini belirler.
Yalıtım malzemelerinin kullanımı güvenlik düzenlemelerine tabidir. Yalıtımın bütünlüğü, elektrik akımı ile güvenli çalışmanın anahtarıdır. İzolasyonu hasarlı cihazları kullanmak çok tehlikelidir. Hafif bir elektrik akımı bile insan vücudunu etkileyebilir.
Dielektriklerin özellikleri
Elektrik yalıtım malzemelerinin işlevlerini yerine getirebilmeleri için belirli özelliklere sahip olmaları gerekir. Dielektrikler ve iletkenler arasındaki temel fark, büyük hacimli özdirençtir (109–1020 ohm cm). Dielektriklere kıyasla iletkenlerin elektriksel iletkenliği 15 kat daha fazladır. Bunun nedeni, yalıtkanların doğası gereği, malzemenin mevcut iletkenliğini sağlayan birkaç kat daha az serbest iyon ve elektrona sahip olmasıdır. Ancak malzeme ısıtıldığında, elektrik iletkenliğinde bir artışa katkıda bulunan daha fazlası vardır.
Dielektriklerin aktif ve pasif özelliklerini ayırt eder. Yalıtım malzemeleri için pasif özellikler çok önemlidir. Malzemenin dielektrik sabiti mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Bu, izolatörün devreye parazitik kapasitanslar sokmamasını sağlar. Bir kapasitörün yalıtkanı olarak kullanılan malzeme için, dielektrik sabiti tam tersine mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır.
Yalıtım seçenekleri
Ana parametrelereelektrik yalıtımı, elektriksel mukavemeti, elektrik direncini, bağıl geçirgenliği, dielektrik kayıp açısını içerir. Malzemenin elektriksel yalıtım özellikleri değerlendirilirken, listelenen özelliklerin elektrik akımı ve voltajının büyüklüklerine bağımlılığı da dikkate alınır.
Elektrik yalıtım ürünleri ve malzemeleri, iletkenlere ve yarı iletkenlere kıyasla daha büyük bir elektriksel dayanıma sahiptir. Dielektrik için ayrıca önemli olan, ısıtma, voltaj artışı ve diğer değişiklikler sırasında belirli değerlerin kararlılığıdır.
Dielektrik malzemelerin sınıflandırılması
İletkenden geçen akımın gücüne bağlı olarak, yeteneklerinde farklılık gösteren farklı yalıtım türleri kullanılır.
Elektrik yalıtım malzemeleri hangi parametrelere göre bölünür? Dielektriklerin sınıflandırılması, kümelenme durumlarına (katı, sıvı ve gaz) ve kökenlerine (organik: doğal ve sentetik, inorganik: doğal ve yapay) dayanır. Ev aletlerinin veya diğer elektrikli aletlerin kablolarında görülebilen en yaygın katı dielektrik türüdür.
Katı ve sıvı dielektrikler sırayla alt gruplara ayrılır. Katı dielektrikler arasında vernikli kumaşlar, laminatlar ve çeşitli mika türleri bulunur. Mumlar, yağlar ve sıvılaştırılmış gazlar, sıvı elektrik yalıtım malzemeleridir. Özel gazlı dielektrikler çok daha az kullanılır. Bu tip ayrıca içerirdoğal elektrik yalıtkanı havadır. Kullanımı, yalnızca onu mükemmel bir dielektrik yapan havanın özelliklerinden değil, aynı zamanda ekonomisinden de kaynaklanmaktadır. Havanın yalıtım olarak kullanılması ek malzeme maliyeti gerektirmez.
Katı Dielektrikler
Katı elektrik yalıtım malzemeleri, çeşitli alanlarda kullanılan en geniş dielektrik sınıfıdır. Farklı kimyasal özelliklere sahiptirler ve dielektrik sabiti 1 ile 50.000 arasında değişir.
Katı dielektrikler polar olmayan, polar ve ferroelektriklere ayrılır. Temel farklılıkları kutuplaşma mekanizmalarındadır. Bu yalıtım sınıfı, kimyasal direnç, izleme direnci, dendritik direnç gibi özelliklere sahiptir. Kimyasal direnç, çeşitli agresif ortamların (asit, alkali vb.) etkisine dayanma kabiliyetinde ifade edilir. İzleme direnci, bir elektrik arkının etkilerine dayanma yeteneğini belirler ve dendritik direnç, dendritlerin oluşumunu belirler.
Katı dielektrikler enerjinin çeşitli alanlarında kullanılır. Örneğin, seramik elektrik yalıtım malzemeleri en yaygın olarak trafo merkezlerinde hat ve burç izolatörleri olarak kullanılır. Elektrikli ev aletleri için yalıtım olarak kağıt, polimerler, cam elyafı kullanılır. Makineler ve cihazlar için vernikler, karton, bileşik en sık kullanılır.
Çeşitli çalışma koşullarında kullanım için, farklı bir araya getirilerek yalıtıma bazı özel özellikler verilir.malzemeler: ısı direnci, nem direnci, radyasyon direnci ve donma direnci. Isıya dayanıklı izolatörler 700 °C'ye kadar sıcaklıklara dayanabilir, bunlar arasında camlar ve bunlara dayalı malzemeler, organosilitler ve bazı polimerler bulunur. Neme dayanıklı ve tropikal dayanıklı malzeme, higroskopik olmayan ve hidrofobik olan floroplastiktir.
Atomik elementli cihazlarda radyasyona dayanıklı izolasyon kullanılır. İnorganik filmler, bazı polimer türleri, cam elyafı ve mika bazlı malzemeler içerir. Donmaya karşı dayanıklı -90 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda özelliklerini kaybetmeyen yalıtımlardır. Uzayda veya vakum koşullarında çalışan cihazlara yönelik yalıtıma özel gereksinimler getirilir. Bu amaçlar için özel seramikler içeren vakum geçirmez malzemeler kullanılır.
Sıvı dielektrikler
Sıvı elektrik yalıtım malzemeleri genellikle elektrikli makine ve aparatlarda kullanılır. Yağ, bir transformatörde yalıtım rolünü oynar. Sıvı dielektrikler ayrıca sıvılaştırılmış gazları, doymamış vazelin ve parafin yağlarını, poliorganosiloksanları, damıtılmış suyu (tuzlardan ve safsızlıklardan arındırılmış) içerir.
Sıvı dielektriklerin temel özellikleri, dielektrik sabiti, elektrik gücü ve elektrik iletkenliğidir. Ayrıca, dielektriklerin elektriksel parametreleri büyük ölçüde saflaştırma derecelerine bağlıdır. Katı safsızlıklar, serbest iyonların ve elektronların büyümesi nedeniyle sıvıların elektrik iletkenliğini artırabilir. Damıtma, iyon değişimi vb. ile sıvıların saflaştırılması. malzemenin elektrik gücünde bir artışa yol açar, böylece elektrik iletkenliğini az altır.
Sıvı dielektrikler üç gruba ayrılır:
- petrol yağları;
- bitkisel yağlar;
- sentetik sıvılar.
En yaygın kullanılan yağlar trafo, kablo ve kapasitör yağları gibi petrol yağlarıdır. Sentetik sıvılar (organosilisyum ve organoflor bileşikleri) de aparat mühendisliğinde kullanılmaktadır. Örneğin organosilikon bileşikleri donmaya karşı dayanıklı ve higroskopiktir, bu nedenle küçük transformatörlerde yalıtkan olarak kullanılırlar ancak maliyetleri petrol yağlarının fiyatından daha yüksektir.
Bitkisel yağlar, elektrik yalıtım teknolojisinde yalıtım malzemesi olarak pratik olarak kullanılmaz. Bunlara hint, keten tohumu, kenevir ve tung yağı dahildir. Bu malzemeler zayıf polar dielektriklerdir ve esas olarak kağıt kapasitörlerin emprenye edilmesi için ve elektrik yalıtımlı vernikler, boyalar ve emayelerde film oluşturucu bir ajan olarak kullanılır.
Gaz dielektrikleri
En yaygın gazlı dielektrikler hava, nitrojen, hidrojen ve SF6 gazıdır. Elektriksel yalıtkan gazlar doğal ve yapay olarak ikiye ayrılır. Doğal hava, elektrik hatlarının akım taşıyan kısımları ile elektrik makineleri arasında yalıtım olarak kullanılır. Bir yalıtkan olarak havanın kapalı cihazlarda kullanılmasını imkansız kılan dezavantajları vardır. Yüksek oksijen konsantrasyonunun varlığından dolayı hava oksitleyici bir ajandır ve homojen olmayan alanlarda havanın elektriksel gücü düşük görünür.
Güç transformatörleri ve yüksek voltaj kabloları, yalıtım olarak nitrojen kullanır. Hidrojen, elektriksel olarak yalıtkan bir malzeme olmasının yanı sıra cebri soğutmadır, bu nedenle elektrik makinelerinde sıklıkla kullanılır. Mühürlü kurulumlarda en çok SF6 kullanılır. SF6 gazı ile doldurmak, cihazı patlamaya dayanıklı hale getirir. Ark söndürme özelliğinden dolayı yüksek gerilim devre kesicilerde kullanılır.
Organik dielektrikler
Organik dielektrik malzemeler doğal ve sentetik olarak ikiye ayrılır. Doğal organik dielektrikler şu anda son derece nadiren kullanılmaktadır, çünkü sentetik olanların üretimi giderek daha fazla artmakta ve dolayısıyla maliyetlerini düşürmektedir.
Doğal organik dielektriklere selüloz, kauçuk, parafin ve bitkisel yağlar (hint yağı) dahildir. Sentetik organik dielektriklerin çoğu, genellikle elektrikli ev aletlerinde ve diğer ekipmanlarda kullanılan çeşitli plastikler ve elastomerlerdir.
İnorganik dielektrikler
İnorganik dielektrik malzemeler doğal ve yapay olarak ikiye ayrılır. Doğal malzemelerden en yaygın olanı, kimyasal ve ısıl dirence sahip olan mikadır. Flogopit ve muskovit de elektrik yalıtımı için kullanılır.
Yapay inorganikdielektrikler arasında cam ve buna dayalı malzemeler ile porselen ve seramik bulunur. Uygulamaya bağlı olarak, yapay dielektrik özel özellikler verilebilir. Örneğin, yüksek dielektrik kayıp tanjantına sahip burçlar için feldspat seramikler kullanılır.
Fibröz elektrik yalıtım malzemeleri
Elektrikli aparat ve makinelerde izolasyon için genellikle lifli malzemeler kullanılır. Bunlara bitki kökenli malzemeler (kauçuk, selüloz, kumaşlar), sentetik tekstiller (naylon, kapron) ve ayrıca polistiren, poliamid vb. malzemeler dahildir.
Organik lifli malzemeler oldukça higroskopiktir, bu nedenle özel emprenye olmadan nadiren kullanılırlar.
Son zamanlarda organik malzemeler yerine daha yüksek ısı direncine sahip sentetik elyaf izolasyon kullanılmıştır. Bunlara cam elyafı ve asbest dahildir. Cam elyaf, hidrofobik özelliklerini arttırmak için çeşitli vernikler ve reçineler ile emprenye edilir. Asbest lifi düşük mekanik mukavemete sahiptir, bu nedenle buna genellikle pamuk lifi eklenir.
