4. Izolanty. Izolanty jsou látky, které prakticky nevodí elektrický proud. Používá se jich k izolaci vodivých částí elektrických obvodů.

Transkript

1 4. Izolanty Izolanty jsou látky, které prakticky nevodí elektrický proud. Používá se jich k izolaci vodivých částí elektrických obvodů. Často se vystaveny mechanickému namáhání a jiným např. klimatickým vlivům. VELMI DŮLEŽITÉ, PROTOŽE OVLIVŇUJÍ BEZPEČNOST Izolanty bývají též materiálem konstrukčním (např. kondenzátory) 1

2 Ideální izolant Ideální izolant je látka, která má: elektrický izolační odpor povrchový i vnitřní nekonečný, průraznou elektrickou pevnost nekonečnou a ztrátový úhel nulový. Mezi izolanty patří: minerály, keramika, dřevo, papír, textilie, oleje, praskyřice, polytén, kaučuky, plyny. 2

3 Rozdělení Izolantů 1. Podle skupenství Tuhé Kapalné Plynné 2. Podle původu Anorganické Organické 3. Podle vzniku Přírodní Zušlechtělé Umělé (syntetické) 3

4 Různé vlastnosti izolantů jsou dány stavbou atomu a molekul izolant 4

5 Vlastnosti Izolantů - POLARIZACE Polarizace izolantů charakterizuje každý izolant. Vzniká působením nábojů, z kterých se dielektrickéčástice skládají. Podle stavby dělíme na: Nepolární (mezi dielektrika s nepolárními molekulami patří např. vodík, kyslík nebo dusík) Polární (mezi dielektrika s polárními molekulami patří např. voda, amoniak, některé organické molekuly apod.) Pozn. Dielektrikum je izolant, který má schopnost polarizace (tedy být polarizován). Všechna dielektrika jsou izolanty, ale ne všechny izolanty jsou dielektrikem. 5

6 Základní elektrické vlastnosti izolantů Mírou polarizace je relativní permitivita ǫ r, závisí na dipólovém momentu atomu (molekuly), množství v jednotce objemu a schopnosti se natáčet vlivem elektrického pole. Závisí dále na typu polarizace. Orientaci dipólu narušuje tepelný pohyb částic a tím většina izolantů nemůže dosáhnout 100% orientace. Doba potřebná k natočení dipólů je dána časovou konstantou τ. Hodnota 1/τ udává přibližně kmitočet do něhož stačí polarizace sledovat změny elektrického pole. 6

7 Základní elektrické vlastnosti Izolantů Elektrickou vodivost Ϭ (S m -1 ) způsobují volné náboje v izolantu. Ideální izolant neobsahuje volné elektrony ani ionty, vodivost je nulová a odpor nekonečný. Molekulární dipóly mohou disociací (rozkladem) zhoršit izolační vlastnosti, zvětšit vodivost a způsobit průraz. Zvlášť velký vliv na povrchovou vodivost má voda (vlhkost). Měrný odpor ρ : se udává Ω cm (nebo Ω cm 2 /cm). Je to odpor mezi dvěma stěnami krychličky o hraně 1cm. (ρ=1/ Ϭ) Měrný povrchový izolační odpor: se udává Ω (nebo Ω cm/cm). Je to odpor mezi dvěma protějšími stranami 7 čtverce o straně 1 cm na povrchu izolantu.

8 Základní elektrické vlastnosti Izolantů Elektrická pevnost: přestoupí-li elektrické napětí určitou kritickou hodnotu, ztrácí izolant v elektrickém poli izolační vlastnosti a nastane jeho průraz. Průrazná pevnost se udává v kv/mm nebo kv/cm. Rozeznáváme dva druhy průrazu: Elektrický (vliv elektrický) Tepelný (vliv zvýšené teploty) 8

9 Základní elektrické vlastnosti Izolantů Mírou polarizace je relativní permitivita tzv. POMĚRNÁ DIALEKTRICKÁ KONSTANTA ǫ r : vyjadřuje vlastnosti izolantu, které jsou důležitáé při konstrukci kondenzátorů a kabelů. Je dána poměrem kapacity kondenzátoru s daným dialektrikem ke kapacitě kondenzátoru s vakuem. 9

10 Ie Základní elektrické vlastnosti Izolantů Ztrátový úhel δ: je dán kýváním dipólu ve střídavém elektrickém poli. Dipól nestačí sledovat rychlé změny pole, opožďuje se a proud, který takto vzniká, má vedle složky kapacitní také složku činnou. δ Im Ie.posuvný proud způsobený elektronovou polarizací Im proud způsobený molekulární polarizací E E intenzita elektrického pole 10

11 Základní elektrické vlastnosti Izolantů Ztrátový činitel (tg δ): je poměr činné složky k jalové a charakterizuje ztráty ve střídavém elektrickém poli. Významné zejména u vf. U I tg δ=i č /I j I č I j δ Vyjadřuje TEDY KMITOČTOVOU ZÁVISLOST izolantu 11

12 Anorganické izolanty tuhého skupenství základem struktury je vazba křemíku Si s kyslíkem O mramor (pracovní teplota 110 C, elektrická průraznost 24kV/cm), desky rozvaděčů, pojistky, kontaktní desky reostatů do 500V. břidlice (pracovní teplota 250 C, elektrická průraznost 2 kv/cm a proto se hodí jen pro nízké napětí a kmitočet) slída (stálost při vysokých teplotách, výborná elektrická pevnost, ztrátový činitel (1-3) 10-4 a proto výhodná pro vf.), izolace komutátorů, dialektrikum kondenzátorů muskovit draselná slída, odolává všem kyselinám, do 500 C Biotit, Flogopit hořečnaté slídy, velmi odolné kyselinám a žáru, elektrická pevnost okolo 20 kv/cm, do 800 C 12

13 Anorganické izolanty tuhého skupenství azbest (tepelná stálost), azbestové izolace do 900 C, silnoproud a topná zařízení. Keramické izolanty (pracovní teplota 250 C, elektrická průraznost 2 kv/cm a proto se hodí jen pro nízké napětí a kmitočet) 1. Porcelány složka křemičitanu hlinitého 2. Steatity složka křemičitanu hořečnatého 3. Melality složka křemičitanu hlinitohořečnatého 4. Keramické hmoty s vysokou dialektrickou konstantou složku titanovou 5. Keramické hmoty pro elektrická topidla složka křemičitanu hlinitohořečnatého 6. Korundované hmoty z kysličníku hlinitého 13

14 Porcelán Je jedním z nejdůležitějších izolantů, je to keramická hmota získaná vypálením tvárné směsy jíloviny (kaolinitu), živce a křemene. Technický porcelán: 50% kaolinitu, 25% živce a 25% křemene, vyrábí se ve dvou jakostech P1 a P2 P1 pro vysoké a velmi vysoké napětí (isolátory, průchodky) P2 má menší elektrickou pevnost (isolátory sdělovací, nosiče odporových vodičů a spoštěčů) Elektrická pevnost 40kV/mm. Snese velké teploty (prakticky 1000 C), pro vf. Není používán, má velký ztrátový činitel (až 120) 14

15 Anorganické izolanty tuhého skupenství Technické sklo je přechlazený tuhý roztok kysličníku křemičitého (SiO 2 ) a různých kovů. Kromě SiO 2 musí být alespoň jeden kysličník alkalický (NA 2 O, K 2 O) a jeden kysličník dvojmocného kovu (CaO, MgO, PbO, ZnO) Izolačních vlastností lze zlepšit přidáním těžkých kovů (PbO, BaO) Použití: na izolátory, na průchodky, na nosné stojánky při výrobě žárovek skleněné izolace se dnes využívá místo azbestové (větší pevnost, nenavlhnou) jako dielektrikum pro kondenzátory 15

16 Organické izolanty tuhého skupenství Izolanty NEJČASTĚJI POUŽITÉ V ELEKTROTECHNICE Organické izolanty jsou tedy látky sloučeninou uhlíku (např. vláknité hmoty, plastické hmoty, kaučuk) Vláknité hmoty 1. Dřevo má dobré mechanické vlastnosti, ale v elektrotechnice se nedá ve větší míře použít (navlhavost, nehomogennost, hořlavost), použití sloupy telekomunikačních a silových vedení 2. Textilní vlákna oplétání vodičů, ochraná izolace elektrických strojů a přístrojů proti mechanickému poškození 16

17 Organické izolanty tuhého skupenství Vláknité hmoty 3. Papír je jedním z nejvíce použitých izolantů v elektrotechnice, nejdůležitější surovinou k výrobě papíru je buničina (ze smrkového dřeva) a další organické a anorganické sloučeniny, podle rozpouštědla se rozdělují na buničinu natronovou, sulfátovou, sulfitovou), použití membrány pro reproduktory, pro isolaci vinutí cívek, transformátorů, isolace sdělovacích kabelů (5 kv/mm) isolace silových kabelů (do napětí 35 kv a 7kV/mm), kondenzátorový papír: k výrobě silových kondenzátorů (24kV/mm) sloupy telekomunikačních a silových vedení 17

18 Organické izolanty tuhého skupenství Plastické hmoty jsou materiály, jejichž podstatu tvoří makromolekulární látky pryskyřice přírodní, jejich deriváty nebo pryskyřice syntetická 1. Přírodní pryskyřice: Kalafuna (použití k impregnaci silových kabelů), elektrická pevnost až 500 kv/cm Kopály (u přístrojů s velkým isolačním odporem) Šelek (k lepení slídových výrobků) 2. Syntetické pryskyřice: Polymery (na bázi etylenu a jejo derivátů) Elastomery (zahrnují oblast syntetických kaučuků) Kopolymery (nejrůznější kombinace polymerů) 18

19 Organické izolanty tuhého skupenství 2. Syntetické plastické hmoty: z technologického hlediska TERMOPLASTY vlivem zahřívání se uvolňují fyzikální vazby mezi makromolekuly a stávají se tvárné a je možné je tvarovat. Nedochází k podstatným chemickým změnám. TERMOSETY jsou látky s prostorovým uspořádáním makromolekul, které vzniklo vytvrzením za tepla. Při opětovném zahřátí dochází k podstatným chemickým změnám, makromolekula se rozpadá a uhelnatí. (do 120 C) 19

20 Polymery Hmoty této skupiny mají vynikající elektroizolační vlastnosti. Polyetylén tepelná odolnost je 115 C (izolace vf. Kabelů, pláště podmořských kabelů, kostry cívek, pro rezonační obvody) Polytetrafluóretylen (Teflon) vysoká odolnost proti všem rozpouštědlům, odolný proti teplotám od -75 C do 200 C. (izolace koaxiálních kabelů pro radary) Polyvinylchlorid (PVC) samostatně se nepoužívá, ale použitím přidáním různých měkčiv a přísad dostáváme hmoty různých vlastností. Např. Novodur tepelná odolnost 100 C Polystyren (Trolitul) výborné elektroizolační vlastnosti, (využití v technice vysokých a ultravysokých frekvencí, na kostry vf cívek, jako dialektrikum vf kondenzátorů) Polymetylmetakryláty (Umaplex) izolant, tam kde se zháší elektrický oblouk) 20

21 Polymery Silikony jsou zvlášní skupinou plastických hmot, vyznačujíse vysokou odolností proti teplotám (-50 C až 250 C) Tuhé: izolační laky Tekuté: oleje do transformátorů, 21

22 silikony až

23 Organické izolanty tuhého skupenství Kaučuk je makrololekulární polymer 1. Přírodní (polyizopropylen) pro potřeby izolace se vyrábí pryž měkká a pryž tvrdá, podle potřeby přidání síry. Vyznačuje se malou odolností proti minerálním olejům, malá stálost proti oteplení (do 75 C), pryž křehne a praská a nesmí se používat jako izolace vinutí elektrických strojů, používá se jako izolace kabelů, vodičů (jen některých) 2. Syntetický (polychloropren a další) odolný proti kyselinám, alkoholu, olejům, slunečním paprskům, atd. Je dobrým izolátorem, používá se k výrobě elektrických kabelů. Polybutadien je odolný proti stárnutí, vyšším teplotám. 23

24 24

25 Izolanty vrstvené Vrstvené izolanty jsou materiály, které vznikají tím, že vrstvy papíru nebo tkanin spojí pryskyřicí. Lisováním zatepla se pryskyřice dále kondenzuje a vytvrdí se. 25

26 Organické izolanty kapalné Ropné oleje k izolaci a současně chlazení přístrojů, k impregnaci papíru a jiných organických vláknin pro zvětšení elektrické pevnosti, dielektrické konstanty pro kondenzátory. Transformátorový olej: má chladit izolaci vinutí cirkulací, a dále působit jako izolant vinutí. Musí být za vyšších teplot odolný proti oxydaci, poněvadž je ve styku se vzduchem. Kondenzátorový olej: k impregnaci papírových kondenzátorů. Kabelové oleje: k impregnaci papírové izolace silových kabelů Voda... Naprosto čistá voda je dobrým izolantem, její měrný odpor je tím větší, čím je voda čistší. Dobrým izolantem je led, ikdyž vznikl zmrznutím nečisté vody. Navlhnutí velmi zhoršuje izolační vlastnosti izolantů. 26

27 Vliv na rezistivitu materiálu: S rostoucí teplotou u vodičů roste jejich rezistivita, příčinou jsou rozptyly usměrněně se pohybujících elektronů jako důsledek interakce s atomy a poruchami krystalické stavby. 27

28 Organické izolanty kapalné Vosky, asfalty a izolační laky pro zalévání vf obvodů, tmelení. 28

29 Organické izolanty plynné Mají malé dialektické ztráty, Elektrická vodivost je velmi malá, proud může vzniknout přítomností iontů a vzniká buď vnějšími účinky (paprsky rentgenové, ultrafialové, radioaktivní, nebo SILNÝM ZAHŘÁTÍM PLYNU) nebo následkem srážek nabitých částic s molekulami. Průrazná pevnost závisí na hustotě plynu tj. na tlaku při stálé teplotě (při vyšších tlacích se zmenšuje vzdálenost mezi jednotlivými molekulami a průraznost stoupá) 29

30 Organické izolanty plynné 1. Vzduch izolační prostředí pro rozvodná vedení, součásti strojů a přístrojů 2. Dusík u chrání před oxidací 3. Vodík má nejvyšší tepelnou vodivost ze všech plynů, při vodíkovém chlazení lze tedy zmenšit ztráty a tím zvýšit výkon stroje 4. Elegazu (fluorid sírový), který má 2x větší vyšší elektrickou průraznost než vzuch i dusík 5. Argon, neon, hélium ve výbojkách a zářivkách 6. Krypton, xenon k plnění žárovek. 30

31 Ukázky použití - Kondenzátory vzduch proměnné Tantalový vyznačuje se nízkým ztrátovým činitelem Polypropylenový svitkový vf. technika, odrušovací Svitkový (papír) odrušovací keramický vf. technika, odrušovací Foliový akumulační

32 Ukázky použití - Kondenzátory Elektrolitický kondenzátor akumulujicí Vysokonapěťové metalizované polyesterové fólie Výkonové kompenzční Polypropylenová folie zalitá v rostlinném oleji 32

33 Ukázky použití pojistky, jistič plastické hmoty porcelán, keramika Porcelán Sklo 33

34 Základem IZOLOVANÝCH VEDENÍ VN zůstává používaná konfigurace vedení s holými vodiči, tj. podpěrný bod vybavený konzolou s izolátory. izolátor - výrobek z izolantu např. ze skla, porcelánu, keramiky, 34

35 Druhy izolace vodičů Smaltováním (na čistý drát nanesu tenkou vrstvu tzv. ového laku). Opředením (bavlna, hedvábí, skleněné vlákno) Opletením tkaninou Ovinutím papírem Nanesením vrstvy pryže Nanesením jiné syntetické látky 35

36 PAJÍTELNÉ VODIČE Splňují požadavky na vysokou pevnost v kombinaci různých typů laků. Použití: výroba cívek, vinutí motorů 36

37 Vodiče: základem je plné měděné jádro nebo měděné lanko. Jádro izolované směsí PVC je 37

38 38

39 LAKOVANÉ VODIČE Splňují požadavky na vysokou pevnost, tepelné vlastnosti v kombinaci různých typů laků. Použití: výroba cívek, vinutí motorů 39

40 VYTVRDITELNÉ LAKOVANÉ VODIČE Splňují požadavky na tepelnou odolnost, pevnost,nižší houževnatost 40

41 VODIČE SE SPECIÁLNÍMI IZOLACEMI Splňují SPECIFICKÉ požadavky na izolaci 41

42 42

43 Hadičky ochranné a rozlišovací bužírky Hadičky a bužírky ochranné a rozlišovací se používají v automobilovém a elektrotechnickém oboru jako ochrana proti mechanickému poškození izolovaných vodičů, k jejich svazkování a barevnému rozlišení. 43

44 Konektory 44

45 Stahovací pásky, smršťovací hadičky, pracovní nářadí 45

46 Závěr 46