วัสดุบางชนิดที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและวงจรจ่ายไฟมีคุณสมบัติไดอิเล็กตริก กล่าวคือ มีความต้านทานกระแสไฟสูง ความสามารถนี้ช่วยให้พวกเขาไม่ผ่านกระแส ดังนั้นจึงใช้เพื่อสร้างฉนวนสำหรับชิ้นส่วนที่มีกระแสไฟ วัสดุฉนวนไฟฟ้าได้รับการออกแบบไม่เพียงแต่เพื่อแยกชิ้นส่วนที่มีกระแสไฟฟ้า แต่ยังสร้างการป้องกันผลกระทบที่เป็นอันตรายของกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น สายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้ามีฉนวนหุ้ม
วัสดุฉนวนไฟฟ้าและการใช้งาน
วัสดุฉนวนไฟฟ้ามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม การผลิตวิทยุและเครื่องดนตรี และการพัฒนาเครือข่ายไฟฟ้า การทำงานปกติของเครื่องใช้ไฟฟ้าหรือความปลอดภัยของวงจรจ่ายไฟขึ้นอยู่กับไดอิเล็กทริกที่ใช้แล้ว พารามิเตอร์บางอย่างของวัสดุที่ใช้เป็นฉนวนไฟฟ้าเป็นตัวกำหนดคุณภาพและความสามารถของวัสดุ
การใช้วัสดุฉนวนอยู่ภายใต้ข้อบังคับด้านความปลอดภัย ความสมบูรณ์ของฉนวนเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานกับกระแสไฟฟ้าอย่างปลอดภัย การใช้อุปกรณ์ที่มีฉนวนเสียหายนั้นอันตรายมาก แม้แต่กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยก็สามารถส่งผลกระทบต่อร่างกายมนุษย์ได้
คุณสมบัติของไดอิเล็กทริก
วัสดุฉนวนไฟฟ้าต้องมีคุณสมบัติบางประการจึงจะสามารถใช้งานได้ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างไดอิเล็กทริกและตัวนำคือความต้านทานปริมาตรมาก (109–1020 โอห์ม ซม.) ค่าการนำไฟฟ้าของตัวนำเมื่อเปรียบเทียบกับไดอิเล็กทริกนั้นมากกว่า 15 เท่า นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าฉนวนโดยธรรมชาติมีไอออนและอิเล็กตรอนอิสระน้อยกว่าหลายเท่าซึ่งให้ค่าการนำไฟฟ้าในปัจจุบันของวัสดุ แต่เมื่อวัสดุถูกทำให้ร้อน มีมากกว่านั้น ซึ่งทำให้การนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
แยกแยะระหว่างคุณสมบัติแอกทีฟและพาสซีฟของไดอิเล็กทริก สำหรับวัสดุฉนวน คุณสมบัติเชิงรับเป็นสิ่งสำคัญที่สุด ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุควรต่ำที่สุด สิ่งนี้ทำให้ไอโซเลเตอร์ไม่นำความจุกาฝากเข้าไปในวงจร สำหรับวัสดุที่ใช้เป็นไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุ ในทางกลับกัน ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกควรมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะทำได้
ตัวเลือกฉนวน
ถึงพารามิเตอร์หลักฉนวนไฟฟ้า ได้แก่ ความแข็งแรงทางไฟฟ้า ความต้านทานไฟฟ้า การอนุญาติสัมพัทธ์ มุมการสูญเสียอิเล็กทริก เมื่อทำการประเมินคุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้าของวัสดุ จะต้องคำนึงถึงการพึ่งพาคุณลักษณะที่ระบุไว้ในขนาดของกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าด้วย
ผลิตภัณฑ์และวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้ามีความแข็งแรงทางไฟฟ้ามากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์ สิ่งสำคัญสำหรับไดอิเล็กตริกคือความเสถียรของค่าเฉพาะในระหว่างการให้ความร้อน แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น และการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ
การจำแนกวัสดุอิเล็กทริก
ขึ้นอยู่กับกำลังของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำไฟฟ้า ฉนวนชนิดต่างๆ จะถูกใช้ ซึ่งแตกต่างกันไปตามความสามารถ
วัสดุฉนวนไฟฟ้าแบ่งตามพารามิเตอร์ใดบ้าง การจำแนกไดอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมกลุ่ม (ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) และแหล่งกำเนิด (อินทรีย์: ธรรมชาติและสังเคราะห์ อนินทรีย์: ธรรมชาติและประดิษฐ์) ไดอิเล็กตริกชนิดแข็งที่พบได้บ่อยที่สุด ซึ่งสามารถเห็นได้ตามสายไฟของเครื่องใช้ในครัวเรือนหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ
ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งและของเหลวถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มย่อย ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็ง ได้แก่ ผ้าเคลือบเงา ลามิเนต และไมกาประเภทต่างๆ ขี้ผึ้ง น้ำมัน และก๊าซเหลวเป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าที่เป็นของเหลว ไดอิเล็กตริกชนิดพิเศษที่ใช้แก๊สมักใช้ไม่บ่อยนัก ประเภทนี้ยังรวมถึงฉนวนไฟฟ้าธรรมชาติคืออากาศ การใช้งานไม่ได้เกิดจากลักษณะของอากาศเท่านั้น ซึ่งทำให้เป็นไดอิเล็กตริกที่ดีเยี่ยม แต่ยังรวมถึงความประหยัดด้วย การใช้อากาศเป็นฉนวนไม่ต้องการค่าวัสดุเพิ่มเติม
ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็ง
วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่เป็นของแข็งเป็นกลุ่มไดอิเล็กทริกที่กว้างที่สุดซึ่งใช้ในด้านต่างๆ พวกมันมีคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกอยู่ในช่วง 1 ถึง 50,000
ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งแบ่งออกเป็นชนิดไม่มีขั้ว แบบมีขั้ว และแบบเฟอร์โรอิเล็กทริก ความแตกต่างหลักของพวกเขาอยู่ในกลไกของโพลาไรซ์ ฉนวนประเภทนี้มีคุณสมบัติเช่น ทนต่อสารเคมี ต้านทานการติดตาม ต้านทาน dendritic ความทนทานต่อสารเคมีแสดงออกในความสามารถในการทนต่ออิทธิพลของสภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าวต่างๆ (กรด ด่าง ฯลฯ) ความต้านทานการติดตามกำหนดความสามารถในการทนต่อผลกระทบของอาร์คไฟฟ้า และความต้านทานเดนไดรต์กำหนดการก่อตัวของเดนไดรต์
ไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งถูกใช้ในด้านพลังงานต่างๆ ตัวอย่างเช่น วัสดุฉนวนไฟฟ้าเซรามิกมักใช้เป็นฉนวนสายและบุชชิ่งในสถานีย่อย กระดาษ โพลีเมอร์ ไฟเบอร์กลาส ใช้เป็นฉนวนสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้า สำหรับเครื่องจักรและอุปกรณ์ มักใช้น้ำยาเคลือบเงา กระดาษแข็ง คอมพาวด์
สำหรับการใช้งานในสภาวะการทำงานต่างๆ ฉนวนจะมีคุณสมบัติพิเศษบางอย่างโดยการรวมค่าต่างๆ เข้าด้วยกันวัสดุ: ทนความร้อน, ทนต่อความชื้น, ทนต่อรังสีและทนต่อความเย็นจัด ฉนวนทนความร้อนสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 700 °C ซึ่งรวมถึงแก้วและวัสดุที่ใช้ ออร์แกโนไซไลต์ และโพลีเมอร์บางชนิด วัสดุที่ทนต่อความชื้นและทนต่อเขตร้อนคือฟลูออโรเรซิ่น ซึ่งไม่ดูดความชื้นและไม่ชอบน้ำ
ฉนวนกันรังสีใช้ในอุปกรณ์ที่มีธาตุอะตอม ประกอบด้วยฟิล์มอนินทรีย์ โพลีเมอร์บางชนิด ไฟเบอร์กลาส และวัสดุที่มีไมก้าเป็นส่วนประกอบ ทนต่อความเย็นจัดเป็นฉนวนที่ไม่สูญเสียคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูงถึง -90 ° C ข้อกำหนดพิเศษวางอยู่บนฉนวนสำหรับอุปกรณ์ที่ทำงานในพื้นที่หรือสภาวะสุญญากาศ เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ จะใช้วัสดุที่ปิดสุญญากาศ ซึ่งรวมถึงเซรามิกพิเศษ
ไดอิเล็กทริกเหลว
วัสดุฉนวนไฟฟ้าเหลวมักใช้ในเครื่องจักรและอุปกรณ์ไฟฟ้า น้ำมันทำหน้าที่เป็นฉนวนในหม้อแปลงไฟฟ้า ไดอิเล็กตริกเหลวยังรวมถึงก๊าซเหลว น้ำมันวาสลีนและน้ำมันพาราฟินไม่อิ่มตัว โพลิออร์กาโนซิลอกเซน น้ำกลั่น (ทำให้บริสุทธิ์จากเกลือและสิ่งสกปรก)
ลักษณะสำคัญของไดอิเล็กตริกเหลวคือค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ความแข็งแรงทางไฟฟ้า และการนำไฟฟ้า นอกจากนี้ พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกยังขึ้นอยู่กับระดับของการทำให้บริสุทธิ์เป็นส่วนใหญ่ สิ่งเจือปนที่เป็นของแข็งสามารถเพิ่มการนำไฟฟ้าของของเหลวได้เนื่องจากการเติบโตของไอออนอิสระและอิเล็กตรอนการทำให้ของเหลวบริสุทธิ์โดยการกลั่น การแลกเปลี่ยนไอออน ฯลฯ ส่งผลให้มีความแข็งแรงทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้การนำไฟฟ้าของวัสดุลดลง
ไดอิเล็กทริกของเหลวแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม:
- น้ำมันปิโตรเลียม;
- น้ำมันพืช;
- ของเหลวสังเคราะห์
น้ำมันที่ใช้บ่อยที่สุดคือน้ำมันปิโตรเลียม เช่น น้ำมันหม้อแปลง เคเบิล และคาปาซิเตอร์ ของเหลวสังเคราะห์ (สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนและออร์กาโนฟลูออรีน) ยังใช้ในงานวิศวกรรมเครื่องมือ ตัวอย่างเช่น สารประกอบออร์กาโนซิลิกอนทนต่อความเย็นจัดและดูดความชื้น ดังนั้นจึงใช้เป็นฉนวนในหม้อแปลงขนาดเล็ก แต่มีราคาสูงกว่าราคาน้ำมันปิโตรเลียม
น้ำมันพืชแทบไม่ได้ใช้เป็นวัสดุฉนวนในเทคโนโลยีฉนวนไฟฟ้า เหล่านี้รวมถึงน้ำมันละหุ่ง ลินสีด ป่าน และน้ำมันตุง วัสดุเหล่านี้เป็นไดอิเล็กทริกแบบมีขั้วอ่อน และส่วนใหญ่ใช้สำหรับการชุบตัวเก็บประจุแบบกระดาษและเป็นตัวแทนในการขึ้นรูปฟิล์มในน้ำยาเคลือบเงา สี และอีนาเมลที่เป็นฉนวนไฟฟ้า
แก๊สไดอิเล็กทริก
ไดอิเล็กตริกที่เป็นก๊าซที่พบมากที่สุดคืออากาศ ไนโตรเจน ไฮโดรเจน และก๊าซ SF6 ก๊าซฉนวนไฟฟ้าแบ่งออกเป็นธรรมชาติและเทียม อากาศธรรมชาติใช้เป็นฉนวนระหว่างส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าของสายไฟและเครื่องจักรไฟฟ้า ในฐานะที่เป็นฉนวน อากาศมีข้อเสียที่ทำให้ไม่สามารถใช้กับอุปกรณ์ที่ปิดสนิทได้เนื่องจากออกซิเจนมีความเข้มข้นสูง อากาศจึงเป็นตัวออกซิไดซ์ และในสนามที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ความแรงไฟฟ้าของอากาศต่ำก็ปรากฏขึ้น
หม้อแปลงไฟฟ้าและสายไฟแรงสูงใช้ไนโตรเจนเป็นฉนวน ไฮโดรเจนนอกจากจะเป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าแล้ว ยังบังคับให้ระบายความร้อนด้วย ซึ่งเป็นสาเหตุที่มักใช้ในเครื่องจักรไฟฟ้า ในการติดตั้งแบบปิดผนึก มักใช้ SF6 การเติมก๊าซ SF6 ทำให้อุปกรณ์ป้องกันการระเบิด มันถูกใช้ในเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าแรงสูงเนื่องจากคุณสมบัติในการดับไฟอาร์ค
ไดอิเล็กทริกอินทรีย์
วัสดุอิเล็กทริกอินทรีย์แบ่งออกเป็นธรรมชาติและสังเคราะห์ ปัจจุบันไดอิเล็กทริกอินทรีย์ธรรมชาตินั้นไม่ค่อยได้ใช้มากนัก เนื่องจากการผลิตไดอิเล็กทริกสังเคราะห์มีการขยายตัวมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนได้
สำหรับไดอิเล็กทริกอินทรีย์ธรรมชาติ ได้แก่ เซลลูโลส ยางพารา พาราฟิน และน้ำมันพืช (น้ำมันละหุ่ง) ไดอิเล็กทริกอินทรีย์สังเคราะห์ส่วนใหญ่เป็นพลาสติกและอีลาสโตเมอร์หลายชนิด ซึ่งมักใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือนและอุปกรณ์อื่นๆ
ไดอิเล็กทริกอนินทรีย์
วัสดุอิเล็กทริกอนินทรีย์แบ่งออกเป็นธรรมชาติและประดิษฐ์ วัสดุธรรมชาติที่พบมากที่สุดคือไมกาซึ่งมีความทนทานต่อสารเคมีและความร้อน Phlogopite และ muscovite ใช้สำหรับฉนวนไฟฟ้าเช่นกัน
ถึงอนินทรีย์เทียมไดอิเล็กทริกรวมถึงแก้วและวัสดุที่ใช้เช่นเดียวกับเครื่องลายครามและเซรามิก ไดอิเล็กตริกเทียมสามารถให้คุณสมบัติพิเศษทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน ตัวอย่างเช่น เซรามิกเฟลด์สปาร์ใช้สำหรับบุชชิ่งซึ่งมีการสูญเสียไดอิเล็กตริกแทนเจนต์สูง
วัสดุฉนวนไฟฟ้าที่มีเส้นใย
วัสดุเส้นใยมักใช้เป็นฉนวนในอุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องจักร ซึ่งรวมถึงวัสดุที่มีต้นกำเนิดจากพืช (ยาง เซลลูโลส ผ้า) สิ่งทอสังเคราะห์ (ไนลอน คาปรอน) ตลอดจนวัสดุที่ทำจากโพลิสไตรีน โพลิเอไมด์ เป็นต้น
เส้นใยออร์แกนิกดูดความชื้นได้สูง จึงไม่ค่อยได้ใช้หากไม่มีการเคลือบพิเศษ
เมื่อเร็ว ๆ นี้ แทนที่จะใช้วัสดุอินทรีย์ ฉนวนใยสังเคราะห์ได้ถูกนำมาใช้ซึ่งมีระดับความต้านทานความร้อนสูงกว่า ซึ่งรวมถึงใยแก้วและแร่ใยหิน ใยแก้วเคลือบด้วยสารเคลือบเงาและเรซินต่างๆ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ ใยหินมีความแข็งแรงเชิงกลต่ำ ดังนั้นจึงมักเติมเส้นใยฝ้ายเข้าไป