عایق (برق)
عایق (برق)
از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
این مقاله در مورد عایق برق است. برای عایق حرارتی به عایق حرارتی مراجعه کنید .
| مقالاتی در مورد |
| الکترومغناطیس |
|---|
 |
| پنهان شدن |
| نشان می دهد |
| نشان می دهد |
| نشان می دهد |
| نشان می دهد |
| نشان می دهد |
| نشان می دهد دانشمندان |
عایق سرامیکی که در راه آهن برقی استفاده می شود
کابل برق سیم مسی سه هسته ای، هر هسته با یک غلاف عایق با کد رنگ جداگانه، همه در داخل یک غلاف محافظ بیرونی قرار دارد.
عایق الکتریکی ماده ای است که جریان الکتریکی آزادانه در آن جریان ندارد. اتم های عایق دارای الکترون های محکمی هستند که نمی توانند به راحتی حرکت کنند. مواد دیگر - نیمه هادی ها و رساناها - جریان الکتریکی را راحت تر هدایت می کنند. خاصیتی که یک عایق را متمایز می کند، مقاومت آن است . عایق ها نسبت به نیمه هادی ها یا هادی ها مقاومت بیشتری دارند. رایج ترین نمونه ها غیر فلزات هستند .
یک عایق کامل وجود ندارد زیرا حتی عایق ها حاوی تعداد کمی شارژ موبایل ( حامل های شارژ ) هستند که می توانند جریان را حمل کنند. علاوه بر این، همه عایق ها زمانی که ولتاژ به اندازه کافی بزرگ اعمال شود که میدان الکتریکی الکترون ها را از اتم ها جدا می کند، رسانای الکتریکی می شوند. این به عنوان شکست الکتریکی شناخته می شود و ولتاژی که در آن رخ می دهد ولتاژ شکست یک عایق نامیده می شود. برخی از مواد مانند شیشه ، کاغذ و PTFE که مقاومت بالایی دارند ، عایق های الکتریکی بسیار خوبی هستند. دسته بسیار بزرگتری از مواد، حتی اگر ممکن است مقاومت توده ای کمتری داشته باشند، هنوز به اندازه کافی خوب هستند تا از جریان قابل توجهی در ولتاژهای معمولی استفاده نمی کنند و بنابراین به عنوان عایق برای سیم کشی و کابل های برق استفاده می شوند . به عنوان مثال می توان به پلیمرهای لاستیک مانند و بیشتر پلاستیک ها اشاره کرد که می توانند ماهیت گرماسخت یا ترموپلاستیک داشته باشند.
عایق ها در تجهیزات الکتریکی برای پشتیبانی و جداسازی هادی های الکتریکی بدون عبور جریان از خود استفاده می شوند. یک ماده عایق که به صورت عمده برای بسته بندی کابل های برق یا سایر تجهیزات استفاده می شود عایق نامیده می شود . اصطلاح عایق همچنین به طور خاص برای اشاره به تکیه گاه های عایق مورد استفاده برای اتصال خطوط توزیع نیروی برق یا خطوط انتقال به تیرهای برق و دکل های انتقال استفاده می شود . آنها وزن سیم های معلق را بدون اجازه دادن به جریان از طریق برج به زمین تحمل می کنند.
فیزیک رسانایی در جامدات [ ویرایش ]
عایق الکتریکی عدم وجود هدایت الکتریکی است . نظریه نوار الکترونیکی (شاخهای از فیزیک) توضیح میدهد که بار الکتریکی زمانی جریان مییابد که حالتهای کوانتومی ماده در دسترس است که الکترونها میتوانند در آن برانگیخته شوند. این به الکترونها اجازه میدهد تا انرژی به دست آورند و در نتیجه در یک رسانا، مانند فلز ، حرکت کنند ، اگر اختلاف پتانسیل الکتریکی روی ماده اعمال شود. اگر چنین حالت هایی در دسترس نباشد، ماده یک عایق است.
اکثر عایق ها دارای یک شکاف باند بزرگ هستند . این به این دلیل اتفاق میافتد که نوار «والانس» حاوی بالاترین انرژی الکترونها پر است و یک شکاف انرژی بزرگ این نوار را از نوار بعدی بالای آن جدا میکند. همیشه مقداری ولتاژ (به نام ولتاژ شکست ) وجود دارد که به الکترون ها انرژی کافی برای برانگیختن به این باند می دهد. هنگامی که از این ولتاژ فراتر رفت، خرابی الکتریکی رخ می دهد و ماده دیگر عایق نیست و بار را از خود عبور می دهد. این معمولاً با تغییرات فیزیکی یا شیمیایی همراه است که به طور دائمی مواد و خواص عایق آن را تخریب می کند.
هنگامی که میدان الکتریکی اعمال شده در یک ماده عایق در هر مکانی از میدان شکست آستانه برای آن ماده بیشتر شود، عایق ناگهان تبدیل به یک رسانا می شود و باعث افزایش زیادی در جریان می شود، قوس الکتریکی از طریق ماده. شکست الکتریکی زمانی اتفاق میافتد که میدان الکتریکی موجود در ماده به اندازهای قوی باشد که حاملهای بار آزاد (الکترونها و یونها، که همیشه در غلظتهای پایین وجود دارند) را به سرعت بالا برساند تا الکترونها را در هنگام برخورد با اتمها از بین ببرد و اتمها را یونیزه کند . این الکترون ها و یون های آزاد شده به نوبه خود شتاب می گیرند و به اتم های دیگر برخورد می کنند و حامل های بار بیشتری را در یک واکنش زنجیره ای ایجاد می کنند . عایق به سرعت از حامل های شارژ سیار پر می شود و مقاومت آن به سطح پایینی کاهش می یابد. در یک جامد، ولتاژ شکست متناسب با انرژی شکاف باند است . هنگامی که تخلیه تاج رخ می دهد، هوا در ناحیه اطراف یک هادی ولتاژ بالا می تواند بدون افزایش فاجعه بار جریان، شکسته و یونیزه شود. با این حال، اگر منطقه شکسته شدن هوا به هادی دیگری با ولتاژ متفاوت گسترش یابد، یک مسیر رسانا بین آنها ایجاد می کند و جریان زیادی از هوا عبور می کند و قوس الکتریکی ایجاد می کند . حتی یک خلاء نیز میتواند دچار نوعی خرابی شود، اما در این مورد، شکست یا قوس خلاء شامل بارهایی است که از سطح الکترودهای فلزی خارج میشوند نه اینکه توسط خود خلاء تولید شوند.
علاوه بر این، همه عایق ها در دماهای بسیار بالا به هادی تبدیل می شوند زیرا انرژی گرمایی الکترون های ظرفیت برای قرار دادن آنها در نوار رسانایی کافی است. [1] [2]
در خازن های خاصی، اتصالات کوتاه بین الکترودهای ایجاد شده در اثر شکست دی الکتریک می تواند با کاهش میدان الکتریکی اعمال شده ناپدید شود. [3] [4] [5] [ مرتبط؟ ]
استفاده می کند [ ویرایش ]
یک پوشش انعطاف پذیر از یک عایق اغلب بر روی سیم و کابل برق اعمال می شود. این مجموعه سیم عایق نامیده می شود . سیمها گاهی از پوشش عایق استفاده نمیکنند، فقط از هوا استفاده میکنند، در حالی که پوشش جامد (مثلاً پلاستیکی) ممکن است غیرعملی باشد. سیم هایی که یکدیگر را لمس می کنند باعث ایجاد اتصالات متقاطع، اتصال کوتاه و خطر آتش سوزی می شوند. در کابل کواکسیال، هادی مرکزی باید دقیقاً در وسط سپر توخالی قرار گیرد تا از بازتاب امواج الکترومغناطیسی جلوگیری شود. سیم هایی که ولتاژ بالا را در معرض خطر قرار می دهند می توانند باعث شوک انسانی و خطرات برق گرفتگی شوند .
اکثر محصولات سیم و کابل عایق بندی شده دارای حداکثر درجه بندی برای ولتاژ و دمای هادی هستند. محصول ممکن است دارای رتبه بندی ampacity (ظرفیت حمل جریان) نباشد، زیرا این به محیط اطراف (به عنوان مثال دمای محیط) بستگی دارد.
در سیستم های الکترونیکی، بردهای مدار چاپی از پلاستیک اپوکسی و فایبر گلاس ساخته می شوند. تخته های نارسانا از لایه های هادی فویل مسی پشتیبانی می کنند. در دستگاههای الکترونیکی، اجزای فعال ریز و ظریف در داخل پلاستیکهای اپوکسی یا فنولی نارسانا یا در داخل شیشههای پخته شده یا پوششهای سرامیکی تعبیه شدهاند.
در اجزای میکروالکترونیکی مانند ترانزیستورها و آی سی ها ، ماده سیلیکونی معمولاً به دلیل دوپینگ یک رسانا است، اما به راحتی می تواند با اعمال گرما و اکسیژن به یک عایق خوب تبدیل شود. سیلیکون اکسید شده کوارتز است ، یعنی دی اکسید سیلیکون ، جزء اصلی شیشه است.
در سیستم های ولتاژ بالا حاوی ترانسفورماتور و خازن ، روغن عایق مایع روش معمولی برای جلوگیری از قوس است. روغن جایگزین هوا در فضاهایی می شود که باید ولتاژ قابل توجهی را بدون خرابی الکتریکی تحمل کنند . سایر مواد عایق سیستم ولتاژ بالا شامل نگهدارنده سیم های سرامیکی یا شیشه ای، گاز، خلاء و قرار دادن سیم ها به اندازه کافی از یکدیگر برای استفاده از هوا به عنوان عایق است.
عایق کاری در دستگاه های الکتریکی [ ویرایش ]
کابل با روکش مسی عایق معدنی با روکش PVC با دو هسته رسانا
مهمترین ماده عایق هوا است. انواع عایق های جامد، مایع و گاز نیز در دستگاه های الکتریکی استفاده می شود. در ترانسفورماتورها ، ژنراتورها و موتورهای الکتریکی کوچکتر ، عایق روی سیمپیچها از حداکثر چهار لایه نازک از فیلم لاک پلیمری تشکیل شده است. سیم آهنربایی عایقشده با فیلم به سازنده اجازه میدهد تا حداکثر تعداد چرخش را در فضای موجود به دست آورد. سیم پیچ هایی که از هادی های ضخیم تر استفاده می کنند اغلب با نوار عایق فایبرگلاس تکمیلی پیچیده می شوند . سیمپیچها همچنین ممکن است با لاکهای عایق آغشته شوند تا از کرونا الکتریکی جلوگیری شود و ارتعاشات ناشی از مغناطیسی سیم کاهش یابد. سیم پیچ های بزرگ ترانسفورماتور هنوز هم عمدتاً با کاغذ ، چوب، لاک و روغن معدنی عایق بندی می شوند . اگرچه این مواد بیش از 100 سال است که مورد استفاده قرار میگیرند، اما همچنان تعادل خوبی از اقتصاد و عملکرد مناسب دارند. شینه ها و قطع کننده های مدار در تابلو برق ممکن است با عایق پلاستیکی تقویت شده با شیشه عایق بندی شوند، به طوری که شعله کم پخش شود و از ردیابی جریان در سراسر مواد جلوگیری شود.
در دستگاه های قدیمی تر ساخته شده تا اوایل دهه 1970، تخته های ساخته شده از آزبست فشرده ممکن است یافت شود. در حالی که این یک عایق مناسب در فرکانس های برق است، جابجایی یا تعمیر مواد آزبست می تواند الیاف خطرناک را در هوا آزاد کند و باید با احتیاط انجام شود. سیم عایق شده با آزبست نمدی در دهه 1920 در کاربردهای با دمای بالا و ناهموار استفاده شد. سیم های این نوع توسط جنرال الکتریک با نام تجاری "دلتابستون" به فروش می رسید. [6]
تابلوهای برق جلو تا اوایل قرن بیستم از تخته سنگ یا سنگ مرمر ساخته می شدند. برخی از تجهیزات ولتاژ بالا برای عملکرد در یک گاز عایق فشار بالا مانند هگزا فلوراید گوگرد طراحی شده اند . مواد عایق که در توان و فرکانسهای پایین عملکرد خوبی دارند، ممکن است در فرکانس رادیویی رضایتبخش نباشند ، به دلیل گرمایش ناشی از اتلاف بیش از حد دی الکتریک.
سیم های برق ممکن است با پلی اتیلن ، پلی اتیلن شبکه ای (از طریق پردازش پرتو الکترونی یا اتصال عرضی شیمیایی)، پی وی سی ، کاپتون ، پلیمرهای لاستیکی مانند، کاغذ آغشته به روغن، تفلون ، سیلیکون یا اتیلن تترا فلوئورواتیلن اصلاح شده ( ETFE ) عایق بندی شوند . کابل های برق بزرگتر بسته به کاربرد ممکن است از پودر معدنی فشرده استفاده کنند.
مواد عایق انعطاف پذیر مانند پی وی سی (پلی وینیل کلرید) برای عایق کاری مدار و جلوگیری از تماس انسان با سیم "زنده" استفاده می شود - سیمی که ولتاژ 600 ولت یا کمتر دارد. به دلیل قوانین ایمنی و زیست محیطی اتحادیه اروپا که باعث می شود PVC اقتصادی کمتر شود، احتمالاً مواد جایگزین به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرند.
در دستگاه های الکتریکی مانند موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورها از سیستم های عایق مختلفی استفاده می شود که بر اساس حداکثر دمای کاری توصیه شده برای دستیابی به عمر کاری قابل قبول طبقه بندی می شوند. مواد از انواع کاغذ ارتقا یافته تا ترکیبات معدنی متغیر است.
عایق کلاس I و کلاس II [ ویرایش ]
مقاله اصلی: کلاس های لوازم خانگی
تمام وسایل برقی قابل حمل یا دستی برای محافظت از کاربر در برابر شوک مضر عایق بندی شده اند.
عایق بندی کلاس I مستلزم آن است که بدنه فلزی و سایر قطعات فلزی در معرض دید دستگاه از طریق یک سیم اتصال به زمین که در صفحه اصلی سرویس ارت شده است به زمین متصل شود - اما فقط به عایق اولیه روی هادی ها نیاز دارد. این تجهیزات برای اتصال به زمین به یک پین اضافی روی دوشاخه برق نیاز دارد.
عایق کلاس II به این معنی است که دستگاه دو عایق است . این در برخی از لوازم خانگی مانند ریش تراش برقی، سشوار و ابزار برقی قابل حمل استفاده می شود. عایق مضاعف مستلزم آن است که دستگاه ها دارای عایق اولیه و تکمیلی باشند که هر کدام برای جلوگیری از برق گرفتگی کافی است . تمام اجزای داخلی با انرژی الکتریکی کاملاً درون یک بدنه عایق قرار دارند که از هرگونه تماس با قطعات "زنده" جلوگیری می کند. در اتحادیه اروپا ، وسایلی که دارای دو عایق هستند، همه با نمادی از دو مربع، یکی در داخل دیگری، مشخص می شوند. [7]
| پیشنهاد شده است که این مقاله به مقالاتی با عنوان عایق برق و عایق برق تقسیم شود . ( بحث ) ( ژوئن 2021 ) |
عایق های تلگراف و انتقال نیرو [ ویرایش ]
عایق شیشه ای پین برای انتقال سیم باز از راه دور برای ارتباطات تلفنی، ساخته شده برای AT&T در دوره از ج. 1890 تا WW-I؛ آن را با یک پین فلزی یا چوبی پیچ مانند که با رزوه در فضای داخلی توخالی مطابقت دارد به ساختار پشتیبانی خود محکم می شود. سیم انتقال به شیار اطراف مقره درست زیر گنبد بسته می شود.
رساناها برای انتقال برق با ولتاژ بالا برهنه هستند و توسط هوای اطراف عایق می شوند. رساناهایی برای ولتاژهای کمتر در توزیع ممکن است مقداری عایق داشته باشند اما اغلب نیز خالی هستند. تکیه گاه های عایق در نقاطی که توسط تیرهای برق یا دکل های انتقال پشتیبانی می شوند مورد نیاز است . همچنین در جاهایی که سیم وارد ساختمانها یا وسایل الکتریکی میشود، مانند ترانسفورماتور یا قطع کننده مدار ، برای عایقبندی از کیس، عایقها مورد نیاز هستند. اغلب این بوش ها هستند که عایق های توخالی هستند که هادی داخل آنها قرار دارد.
مواد [ ویرایش ]
عایق های مورد استفاده برای انتقال برق با ولتاژ بالا از شیشه ، چینی یا مواد پلیمری مرکب ساخته شده اند . عایق های چینی از خاک رس ، کوارتز یا آلومینا و فلدسپات ساخته می شوند و برای ریختن آب با لعاب صاف پوشانده می شوند. عایق های ساخته شده از چینی غنی از آلومینا در مواردی که مقاومت مکانیکی بالا ملاک است استفاده می شود. پرسلن دارای استحکام دی الکتریک حدود 4-10 کیلو ولت بر میلی متر است. [8] شیشه دارای استحکام دی الکتریک بالاتری است، اما میعان را جذب می کند و اشکال نامنظم ضخیم مورد نیاز برای عایق ها بدون کرنش های داخلی ریخته گری دشوار است. [9] برخی از تولیدکنندگان عایق ساخت عایق های شیشه ای را در اواخر دهه 1960 متوقف کردند و به مواد سرامیکی روی آوردند.
برخی از شرکت های برق از مواد کامپوزیت پلیمری برای برخی از انواع عایق ها استفاده می کنند. اینها معمولاً از یک میله مرکزی ساخته شده از پلاستیک تقویت شده با الیاف و یک لایه هوای بیرونی ساخته شده از لاستیک سیلیکون یا لاستیک مونومر اتیلن پروپیلن دی ان ( EPDM ) تشکیل شده اند. عایق های کامپوزیتی کم هزینه تر، سبک تر و دارای خواص آبگریز عالی هستند. این ترکیب آنها را برای خدمات در مناطق آلوده ایده آل می کند. [10] با این حال، این مواد هنوز عمر ثابت طولانی مدت شیشه و چینی را ندارند.
خطوط برق پشتیبانی شده توسط عایق های پین سرامیکی در کالیفرنیا ، ایالات متحده آمریکا
عایق سرامیکی 10 کیلو ولت، سوله نمایش
یک عایق پین خانگی
طراحی [ ویرایش ]
بوش سرامیکی ولتاژ بالا در طول ساخت، قبل از لعاب (1977)
خرابی الکتریکی یک عایق به دلیل ولتاژ بیش از حد می تواند به یکی از دو روش زیر رخ دهد:
- قوس سوراخی شکستگی و هدایت مواد عایق است که باعث ایجاد قوس الکتریکی در داخل عایق می شود. گرمای حاصل از قوس معمولاً به طور جبران ناپذیری به عایق آسیب می رساند. ولتاژ سوراخ ولتاژی است که در طول عایق (در صورت نصب به روش معمولی خود) که باعث ایجاد قوس سوراخ می شود.
- قوس فلاش اوور شکست و هدایت هوا در اطراف یا در امتداد سطح مقره است که باعث ایجاد قوس در امتداد بیرونی عایق می شود. عایق ها معمولاً به گونه ای طراحی می شوند که در برابر فلاش اور بدون آسیب مقاومت کنند. ولتاژ فلاش اور ولتاژی است که باعث ایجاد قوس فلاش اوور می شود.
بیشتر عایق های ولتاژ بالا با ولتاژ فلاش اوور کمتری نسبت به ولتاژ سوراخ طراحی شده اند، بنابراین قبل از سوراخ شدن چشمک می زنند تا آسیبی نبینند.
خاک، آلودگی، نمک و به ویژه آب روی سطح یک عایق ولتاژ بالا میتواند یک مسیر رسانا را در سراسر آن ایجاد کند که باعث ایجاد جریانهای نشتی و فلاش اوور میشود. هنگامی که عایق خیس است، ولتاژ فلاش اوور را می توان بیش از 50 درصد کاهش داد. عایق های ولتاژ بالا برای استفاده در فضای باز به گونه ای شکل می گیرند که طول مسیر نشتی را در امتداد سطح از یک سر به سر دیگر به حداکثر برسانند که طول خزش نامیده می شود تا این جریان های نشتی به حداقل برسد. [11] برای انجام این کار، سطح را به یک سری موجدار یا دیسکهای متحدالمرکز قالبگیری میکنند. اینها معمولاً شامل یک یا چند سوله هستند . سطوح فنجانی شکل رو به پایین که به عنوان چتر عمل می کنند تا اطمینان حاصل شود که بخشی از مسیر نشتی سطح زیر "کاپ" در هوای مرطوب خشک می ماند. حداقل فاصله خزش 20 تا 25 میلیمتر بر کیلوولت است، اما باید در مناطق با آلودگی زیاد یا مناطق نمکدریایی هوا افزایش یابد.
![[آیکون]](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Wiki_letter_w_cropped.svg){kind=small}
