διηλεκτρικά

Στερεές, υγρές ή αέριες ουσίες που παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση στη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος. Ονομάζονται επίσης και μονωτικά. Αντίθετα από τα σώματα που είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού, τα οποία παρουσιάζουν μεγάλη ευκινησία στα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων, τα δ. αποτελούνται από άτομα στα οποία οι δυνάμεις των δεσμών που οφείλονται στη δομή του υλικού καθιστούν δύσκολη τη μετατόπιση των φορέων του φορτίου. Έτσι, όταν ένα δοκίμιο αυτών των ουσιών βρεθεί υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου, προκαλείται ένα είδος ηλεκτρικής απόκρισης στην εξωτερική διέγερση. Aν και δεν υπάρχουν ελεύθερα κινούμενα φορτία, δημιουργείται μια ανακατανομή των λεγόμενων δέσμιων φορτίων, έτσι ώστε το εσωτερικό καθαρό φορτίο του δ. να είναι μηδενικό. To φαινόμενο, που ονομάζεται πόλωση, αφορά ιδιαίτερα την ηλεκτρονική κατανομή των ατόμων, τον προσανατολισμό των μοριακών διπόλων και τους φορείς των ηλεκτρικών φορτίων που εμφανίζονται έστω και σε περιορισμένο αριθμό μέσα στην ουσία. Υπό κανονικές συνθήκες και με δεδομένη την απουσία εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων, η ουσία είναι ηλεκτρικά ουδέτερη, δηλαδή τα μεγέθη των θετικών και των ηλεκτρικών φορτίων στα ατομικά και μοριακά συμπλέγματα είναι απόλυτα ίσα. Όταν όμως ένα μόριο του δ. υποστεί την εξωτερική δράση του πεδίου, παρουσιάζονται τέτοιες μετατροπές στη δομή του, ώστε τα κέντρα βάρους των θετικών και αρνητικών φορτίων δεν συμπίπτουν πλέον, λόγω, παραδείγματος χάριν, παραμόρφωσης της ηλεκτρονικής κατανομής. Αυτές οι μετατροπές είναι συνήθως ελάχιστες και περιορίζονται στις ενδοατομικές και ενδομοριακές δυνάμεις. Υπό αυτές τις συνθήκες κάθε μόριο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ηλεκτρικό δίπολο, πάνω στο οποίο το πεδίο ασκεί ένα ζεύγος δυνάμεων που τείνει να το προσανατολίσει προς την κατεύθυνση του πεδίου. Το αποτέλεσμα αυτής της πόλωσης είναι ότι το δ. που είναι τοποθετημένο μέσα στο πεδίο ισοδυναμεί προς ένα σύνολο ηλεκτρικών διπόλων προσανατολισμένων προς την ίδια διεύθυνση. Αυτή η προσεγγιστική και απλή σχηματική παράσταση ερμηνεύει, στην αναλυτική μελέτη των δ., την ισοδυναμία μεταξύ ενός αρκετά μικρού στοιχείου του δ. και ενός ηλεκτρικού διπόλου και επιτρέπει τον προσδιορισμό των φυσικών μεγεθών που χαρακτηρίζουν αυτά τα μέσα. Τα μεγέθη αυτά αναφέρονται στη συνέχεια: Το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο συμβολίζεται με το , μέσα στο οποίο τοποθετείται το δ. και από το οποίο εξαρτάται το φαινόμενο της πόλωσης. Το αντιπολωτικό πεδίο  (αντίθετο του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου) εκφράζει το αποτέλεσμα του προσανατολισμού των διαφόρων διπόλων υπό την επίδραση του . Αυτός o προσανατολισμός δεν προκαλεί κανένα αποτέλεσμα στο εσωτερικό του δ. γιατί τα θετικά και αρνητικά φορτία των ισοδύναμων διπόλων βρίσκονται τόσο κοντά ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται. Μόνο κάτω από τις εξωτερικές επιφάνειες υπάρχουν αντίθετα φορτία. Δημιουργείται έτσι ένα πεδίο  αντίθετο του , το οποίο επιτρέπει τον καθορισμό της εξωτερικής δράσης του δ. Το πεδίο αυτό δεν είναι τόσο ισχυρό ώστε να αναιρέσει το αρχικό-εξωτερικό πεδίο, αλλά μπορεί να το ελαττώσει. Η πόλωση είναι το άθροισμα των ροπών διπόλου των μορίων του δ. Η ηλεκτρική επιδεκτικότητα Xe ισούται με τον λόγο της πόλωσης προς το γινόμενο της έντασης του πεδίου επί τη διαπερατότητα του κενού Ε₀, δηλαδή προκύπτει από τον τύπο,  Η διηλεκτρική σταθερή (ή σχετική διαπερατότητα) εz είναι, κατά φυσική έννοια, ο λόγος των δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ δύο ηρεμούντων ηλεκτρικών φορτίων, όταν μεταξύ αυτών παρεμβάλλεται το κενό, και, υπό τις ίδιες λοιπές συνθήκες, οι δυνάμεις που ασκούνται όταν το δ. αντικαθιστά το κενό. Καθορίζονται άλλες δύο χαρακτηριστικές παράμετροι των μονωτικών: η τάση διάσπασης και η γωνία απωλειών. Η πρώτη παράμετρος είναι η μέγιστη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου, η οποία μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα δ. χωρίς αυτό να παρουσιάζει μια αιφνίδια πτώση αντίστασης, συνοδευόμενη από έναν σπινθήρα εκκένωσης που ονομάζεται διασπαστικό. Αυτή η παράμετρος έχει για μονάδα το V/m (βολτ ανά μέτρο) στο σύστημα MKSA. Η γωνία απωλειών, αντίθετα, συνδέεται με την έκλυση ενέργειας που προκαλείται από την κυκλοφορία ενός ασθενέστατου ηλεκτρονικού ή ιοντικού ρεύματος με τα πραγματικά δ. Συνδέεται, μεταξύ ορισμένων ορίων, με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Εξάλλου, όταν τα δ. δέχονται την επίδραση εναλλασσόμενων ηλεκτρικών πεδίων, οι απώλειες μπορεί να αυξηθούν λόγω ενός φαινομένου υστέρησης, το οποίο αυξάνει με τη θερμότητα και τη συχνότητα μεταβολής του πεδίου. Υπάρχουν επίσης και δ. που δεν παρουσιάζουν τη συμπεριφορά που περιγράφηκε παραπάνω. Πρόκειται για ουσίες οι οποίες, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, διατηρούν μια διηλεκτρική πόλωση, ακόμα και όταν παύσει η δράση αυτού του πεδίου, ή για ουσίες οι οποίες λέγονται σιδηροηλεκτρικές και παρουσιάζουν μόνιμη και αυτόματη πόλωση, η οποία πιθανόν να αντιστρέφεται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου. Μεταξύ των στερεών δ. μπορούμε να αναφέρουμε το γυαλί, την πορσελάνη, τις οργανικές ενώσεις με βάση την κυτταρίνη, τις ρητίνες, τα πλαστικά, τη μίκα, τον εβονίτη, την άσφαλτο, τη χαλαζιακή άμμο κλπ. Μεταξύ των υγρών, τα ορυκτά έλαια, τις σιλικόνες, τα έλαια ρητινών και τα βερνίκια. Τα ξηρά αέρια είναι μονωτικά μόνο στη φυσιολογική τους κατάσταση. διηλεκτρική αντοχή. Η μέγιστη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, στην οποία μπορεί να αντέξει ένα δ. χωρίς να υποστεί διάτρηση. Ο μερικός ιονισμός που υφίσταται το δ. όταν ξεπεραστεί η τιμή αυτή της έντασης καλείται διηλεκτρική διάσπαση. Η τάση που απαιτείται ανάμεσα στους οπλι σμούς ενός πυκνωτή για τη δημιουργία σπινθήρα και επομένως τη διάτρηση ενός δ., είναι ανάλογη προς το πάχος του δ. Η διηλεκτρική αντοχή εκφράζεται συνήθως σε βολτ ανά μέτρο. Για παράδειγμα, στον ξηρό αέρα που είναι και αυτός δ., ο σπινθήρας δημιουργείται όταν η ένταση του πεδίου φτάσει την τιμή των 32 KV/cm. Για το πετρέλαιο η τιμή της διηλεκτρικής αντοχής είναι 65 KV/cm, για το γυαλί 300-1.600 KV/cm και για το παραφινωμένο χαρτί 500 KV/cm. διηλεκτρική θέρμανση. Η θέρμανση ενός δ. υλικού (π.χ. χαρτί, πλαστικό, ελαστικό κλπ.) όταν βρεθεί σε ένα εναλλασσόμεvo ηλεκτρικό πεδίο. Με την εφαρμογή του πεδίου και εξαιτίας της πόλωσης δημιουργείται ένα ρεύμα μετατόπισης μέσα στο δ., ενώ από την κίνηση των ελεύθερων, ηλεκτρικά φορτισμένων σωματίων εμφανίζεται ένα ασθενές ρεύμα αγωγιμότητας. Η έκλυση θερμότητας προκαλείται από τη ροή του συνολικού ρεύματος. Ανάμεσα στις βιομηχανικές χρήσεις της διηλεκτρικής θέρμανσης είναι η προθέρμανση των πλαστικών πριν από το φορμάρισμα, η ελεγχόμενη ξήρανση διαφόρων υλικών (χαρτί, κεραμικά κλπ.), η συγκόλληση πλαστικών και ξύλου. Η διηλεκτρική θέρμανση χρησιμοποιείται επίσης ως ειδική μέθοδος μαγειρέματος. Διηλεκτρικά υλικά διαφόρων σχημάτων και συστάσεων: 1) πρεσαριστό σώμα επαφών ηλεκτρικών κινητήρων? 2) κάλυμμα επαφών για διακόπτη? 3) πρεσαριστό κύκλωμα για ηλεκτρικά μηχανήματα? 4) μονωτικός σωλήνας μικρών διαστάσεων για μετασχηματιστές ελαίου? 5) εξελασμένοι σωλήνες για μόνωση αγώγιμων ράβδων? 6) πηνίο από πεπιεσμένο χαρτί και φαινολική ρητίνη? 7) πρεσαριστός δακτύλιος για στρεφόμενες ηλεκτρικές μηχανές συνεχούς ρεύματος? 8) μονωτικός σωλήνας για ξηρούς μετασχηματιστές? 9) σωληνίσκος από χλωριούχο πολυβινύλιο για μόνωση αγωγών, καλωδίων κλπ.? 10) κολλητική ταινία από χλωριούχο πολυβινύλιο για γρήγορες περιτυλίξεις, επισκευές κλπ.? 11) μαύρη ταινία από βερνικωμένο ύφασμα με ίσιο στημόνι, για μόνωση κυρίως ηλεκτρικών καλωδίων? 12) κίτρινη ταινία από βερνικωμένο ύφασμα με διαγώνιο στημόνι, για περιελίξεις, πηνία κλπ. ηλεκτρικών μηχανών? 13) βαμβακερή ταινία για περιελίξεις? έχει διαποτιστεί διαδοχικά με μονωτικά βερνίκια? 14) ταινία από βερνικωμένο υαλοβάμβακα, για περιελίξεις μηχανών με υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας? 15) σωλήνες από βερνικωμένο βαμβάκι για μόνωση αγωγών και μηχανική προστασία. Δεξιά, τομή μετασχηματιστή ελαίου, όπου φαίνονται τα διηλεκτρικά μέρη. Ένα διηλεκτρικό μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο Εe παρουσιάζει ένα πεδίο Εd, αποτέλεσμα του προσανατολισμού των ισοδύναμων διπόλων του διηλεκτρικού. Το πιεστικό φίλτρο αποτελείται από πολυάριθμα διηθητικά στρώματα (άνω, είναι διατεταγμένα κατακόρυφα) διαμέσου των οποίων υποχρεώνεται να περάσει το υγρό υπό πίεση. Κάτω, αριστερά, πλάκες και πλαίσια για πιεστικό φίλτρο· οι πλάκες φέρουν τα διηθητικά πλαίσια και τα πλαίσια συγκρατούν τις πλάκες στην επιθυμητή απόσταση μεταξύ τους. Η ακολουθία των οπών που συμβολίζονται με το γράμμα Α σχηματίζει τον αγωγό από τον οποίο εισρέει το θολό διάλυμα· οι οπές που συμβολίζονται με το γράμμα Β χρησιμεύουν για τη δίοδο του νερού απόπλυσης. Πρέπει επιπλέον να σημειωθεί ότι οι διακλαδώσεις απόπλυσης εμφανίζονται εναλλάξ στις πλάκες, έτσι ώστε το νερό απόπλυσης να εκτελεί μικρότερη διαδρομή.