לחלק מהחומרים המשמשים במכשירים חשמליים ובמעגלי אספקת חשמל יש תכונות דיאלקטריות, כלומר, יש להם עמידות גבוהה בפני זרם. יכולת זו מאפשרת להם לא להעביר זרם, ולכן הם משמשים ליצירת בידוד לחלקים נושאי זרם. חומרי בידוד חשמליים נועדו לא רק להפריד בין חלקים נושאי זרם, אלא גם ליצור הגנה מפני ההשפעות המסוכנות של זרם חשמלי. לדוגמה, כבלי החשמל של מכשירי חשמל מכוסים בבידוד.
חומרי בידוד חשמליים והיישומים שלהם
חומרי בידוד חשמליים נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה, בייצור רדיו ומכשירים, ובפיתוח רשתות חשמל. הפעולה הרגילה של מכשיר חשמלי או הבטיחות של מעגל אספקת החשמל תלויה במידה רבה בדיאלקטריות משומשות. כמה פרמטרים של חומר המיועד לבידוד חשמלי קובעים את איכותו ויכולותיו.
השימוש בחומרי בידוד כפוף לתקנות הבטיחות. שלמות הבידוד היא המפתח לעבודה בטוחה עם זרם חשמלי. מסוכן מאוד להשתמש במכשירים עם בידוד פגום. אפילו זרם חשמלי קל יכול להשפיע על גוף האדם.
מאפיינים של דיאלקטריים
חומרי בידוד חשמליים חייבים להיות בעלי תכונות מסוימות על מנת לבצע את תפקידיהם. ההבדל העיקרי בין דיאלקטריים לבין מוליכים הוא התנגדות הנפח הגדולה (109-1020 אוהם ס מ). המוליכות החשמלית של מוליכים בהשוואה לדיאלקטריות גדולה פי 15. זאת בשל העובדה שלמבודדים מטבעם יש פי כמה פחות יונים ואלקטרונים חופשיים, המספקים את מוליכות הזרם של החומר. אבל כשהחומר מחומם, יש יותר מהם, מה שתורם לעלייה במוליכות החשמלית.
הבחנה בין תכונות אקטיביות ופסיביות של דיאלקטריות. עבור חומרי בידוד, תכונות פסיביות חשובות ביותר. הקבוע הדיאלקטרי של החומר צריך להיות נמוך ככל האפשר. זה מאפשר למבודד לא להכניס קיבולים טפיליים למעגל. עבור החומר המשמש כדיאלקטרי של קבל, הקבוע הדיאלקטרי צריך, להיפך, להיות גדול ככל האפשר.
אפשרויות בידוד
לפרמטרים העיקרייםבידוד חשמלי כולל חוזק חשמלי, התנגדות חשמלית, רשותיות יחסית, זווית אובדן דיאלקטרי. בעת הערכת תכונות הבידוד החשמלי של החומר, נלקחת בחשבון גם התלות של המאפיינים המפורטים בגדלים של הזרם החשמלי והמתח.
למוצרים וחומרים מבודדים חשמליים יש חוזק חשמלי גדול יותר בהשוואה למוליכים ומוליכים למחצה. חשובה גם עבור הדיאלקטרי היציבות של ערכים ספציפיים במהלך חימום, עליית מתח ושינויים אחרים.
סיווג של חומרים דיאלקטריים
בהתאם לעוצמת הזרם העובר דרך המוליך, נעשה שימוש בסוגי בידוד שונים, הנבדלים ביכולותיהם.
לפי אילו פרמטרים מחולקים חומרי בידוד חשמלי? הסיווג של דיאלקטריות מבוסס על מצב הצבירה שלהם (מוצק, נוזלי וגזי) ומקורם (אורגני: טבעי וסינטטי, אנאורגני: טבעי ומלאכותי). הסוג הנפוץ ביותר של דיאלקטרי מוצק, שניתן לראות על חוטי מכשירי חשמל ביתיים או כל מכשיר חשמלי אחר.
דיאלקטריים מוצקים ונוזליים, בתורם, מחולקים לתת-קבוצות. דיאלקטריות מוצקות כוללות בדי לכה, למינציה וסוגים שונים של נציץ. שעווה, שמנים וגזים נוזליים הם חומרי בידוד חשמליים נוזליים. דיאלקטרי גזים מיוחדים משמשים בתדירות נמוכה בהרבה. סוג זה כולל גםהמבודד החשמלי הטבעי הוא אוויר. השימוש בו נובע לא רק ממאפייני האוויר, שהופכים אותו לדיאלקטרי מעולה, אלא גם מהחסכון שלו. השימוש באוויר כבידוד אינו מצריך עלויות חומר נוספות.
סוליד דיאלקטרי
חומרי בידוד חשמליים מוצקים הם המעמד הרחב ביותר של דיאלקטריות המשמשות בתחומים שונים. יש להם תכונות כימיות שונות, והקבוע הדיאלקטרי נע בין 1 ל-50,000.
דיאלקטריים מוצקים מחולקים לא-קוטביים, קוטביים ופרו-אלקטריים. ההבדלים העיקריים ביניהם הם במנגנוני הקיטוב. לסוג זה של בידוד יש תכונות כגון עמידות כימית, עמידות מעקב, עמידות דנדרטית. עמידות כימית מתבטאת ביכולת לעמוד בהשפעתן של סביבות אגרסיביות שונות (חומצה, אלקליות וכו'). התנגדות המעקב קובעת את היכולת לעמוד בהשפעות של קשת חשמלית, והתנגדות דנדרטית קובעת את היווצרות הדנדריטים.
דיאלקטריים מוצקים משמשים בתחומי אנרגיה שונים. לדוגמה, חומרי בידוד חשמליים קרמיים משמשים לרוב כמבודדי קווים ותותבים בתחנות משנה. נייר, פולימרים, פיברגלס משמשים כבידוד למכשירי חשמל. עבור מכונות והתקנים, לרוב משתמשים בלכות, קרטון, תרכובות.
לשימוש בתנאי הפעלה שונים, הבידוד מקבל כמה תכונות מיוחדות על ידי שילוב שוניםחומרים: עמידות בחום, עמידות לחות, עמידות בפני קרינה ועמידות בפני כפור. מבודדים עמידים בחום מסוגלים לעמוד בטמפרטורות של עד 700 מעלות צלזיוס, אלה כוללים זכוכית וחומרים המבוססים עליהם, אורגנוזיליטים וכמה פולימרים. חומר עמיד ללחות ועמיד טרופיים הוא פלואורפלסטי, שאינו היגרוסקופי והידרופובי.
בידוד עמיד בפני קרינה משמש במכשירים עם יסודות אטומיים. הוא כולל סרטים אנאורגניים, סוגים מסוימים של פולימרים, פיברגלס וחומרים מבוססי נציץ. עמידים בפני כפור הם בידודים שאינם מאבדים את תכונותיהם בטמפרטורות של עד -90 מעלות צלזיוס. דרישות מיוחדות מונחות על בידוד המיועד למכשירים הפועלים בתנאי חלל או ואקום. למטרות אלו משתמשים בחומרים אטומים לוואקום, הכוללים קרמיקה מיוחדת.
דיאלקטרי נוזלי
חומרי בידוד חשמליים נוזליים משמשים לעתים קרובות במכונות ובמכשירים חשמליים. שמן ממלא את תפקיד הבידוד בשנאי. דיאלקטריים נוזליים כוללים גם גזים נוזליים, שמני וזלין ופרפין בלתי רווי, פוליאורגנוסילוקסנים, מים מזוקקים (מטוהרים ממלחים וזיהומים).
המאפיינים העיקריים של דיאלקטריים נוזליים הם קבוע דיאלקטרי, חוזק חשמלי ומוליכות חשמלית. כמו כן, הפרמטרים החשמליים של דיאלקטריים תלויים במידה רבה במידת הטיהור שלהם. זיהומים מוצקים יכולים להגביר את המוליכות החשמלית של נוזלים עקב צמיחת יונים ואלקטרונים חופשיים.טיהור נוזלים על ידי זיקוק, החלפת יונים וכו'. מוביל לעלייה בחוזק החשמלי של החומר, ובכך מפחית את המוליכות החשמלית שלו.
דיאלקטריים נוזליים מחולקים לשלוש קבוצות:
- שמני נפט;
- שמנים צמחיים;
- נוזלים סינתטיים.
השמנים הנפוצים ביותר הם שמני נפט כגון שמני שנאים, כבלים וקבלים. נוזלים סינתטיים (אורגנוסיליקון ותרכובות אורגנופלואור) משמשים גם בהנדסת מכשור. לדוגמה, תרכובות סיליקון אורגניות הן עמידות לכפור והיגרוסקופיות, ולכן הן משמשות כמבודד בשנאים קטנים, אך העלות שלהן גבוהה ממחיר שמני הנפט.
שמנים צמחיים כמעט ואינם משמשים כחומרי בידוד בטכנולוגיית בידוד חשמלי. אלה כוללים קיק, זרעי פשתן, קנבוס ושמן טונג. חומרים אלה הם דיאלקטריים קוטביים חלשים ומשמשים בעיקר להספגה של קבלי נייר וכחומר ליצירת סרט בלכות, צבעים ואמייל מבודדים חשמליים.
גז דיאלקטריות
הדיאלקטריים הגזים הנפוצים ביותר הם אוויר, חנקן, מימן וגז SF6. גזים מבודדים חשמליים מחולקים לטבעיים ולמלאכותיים. אוויר טבעי משמש כבידוד בין החלקים נושאי הזרם של קווי חשמל ומכונות חשמליות. בתור מבודד, לאוויר יש חסרונות שלא מאפשרים להשתמש בו במכשירים אטומים.עקב נוכחות של ריכוז גבוה של חמצן, האוויר הוא חומר מחמצן, ובשדות לא הומוגניים, מופיע חוזק חשמלי נמוך של אוויר.
שנאי כוח וכבלי מתח גבוה משתמשים בחנקן כבידוד. מימן, בנוסף להיותו חומר מבודד חשמלי, הוא גם קירור מאולץ, וזו הסיבה שהוא משמש לעתים קרובות במכונות חשמליות. במתקנים אטומים, SF6 משמש לרוב. מילוי בגז SF6 הופך את המכשיר לעמיד בפני פיצוץ. הוא משמש במפסקי מתח גבוה בשל תכונות כיבוי הקשת שלו.
דיאלקטריים אורגניים
חומרים דיאלקטריים אורגניים מחולקים לטבעיים ולסינטטיים. דיאלקטריים אורגניים טבעיים נמצאים כיום בשימוש נדיר ביותר, שכן הייצור של אלה סינתטיים מתרחב יותר ויותר, ובכך מפחית את העלות שלהם.
לדיאלקטריים אורגניים טבעיים כוללים תאית, גומי, פרפין ושמנים צמחיים (שמן קיק). רוב הדיאלקטריים האורגניים הסינתטיים הם פלסטיק ואלסטומרים שונים המשמשים לעתים קרובות במכשירי חשמל ביתיים וציוד אחר.
דיאלקטריים לא אורגניים
חומרים דיאלקטריים לא אורגניים מחולקים לטבעיים ולמלאכותיים. הנפוץ מבין החומרים הטבעיים הוא נציץ בעל עמידות כימית ותרמית. פלוגופיט ומוסקוויט משמשים גם לבידוד חשמלי.
לאי-אורגני מלאכותידיאלקטריות כוללות זכוכית וחומרים המבוססים עליה, כמו גם פורצלן וקרמיקה. בהתאם ליישום, ניתן לתת לדיאלקטרי המלאכותי תכונות מיוחדות. לדוגמה, קרמיקה פלדספר משמשת לתותבים, בעלי משיק הפסד דיאלקטרי גבוה.
חומרי בידוד חשמליים סיביים
חומרים סיבים משמשים לעתים קרובות לבידוד במכשירים ומכונות חשמליות. אלה כוללים חומרים ממקור צמחי (גומי, תאית, בדים), טקסטיל סינתטי (ניילון, קפרון), וכן חומרים עשויים פוליסטירן, פוליאמיד וכו'.
חומרים סיביים אורגניים הינם היגרוסקופיים מאוד, ולכן משתמשים בהם לעתים רחוקות ללא הספגה מיוחדת.
לאחרונה, במקום חומרים אורגניים, נעשה שימוש בבידוד סיבים סינתטיים, בעלי רמה גבוהה יותר של עמידות בחום. אלה כוללים סיבי זכוכית ואסבסט. סיבי זכוכית ספוג בלכות ושרף שונים כדי להגביר את התכונות ההידרופוביות שלו. לסיבי אסבסט חוזק מכני נמוך, ולכן לעתים קרובות מוסיפים לו סיבי כותנה.
