2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE

2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE

Materialele electroizolante sunt caracterizate prin valoarea mare a

rezistivităţii electrice ( 107 m) şi - în teoria benzilor de energie - prin

lăţimea mare a benzii interzise Fermi (wi 3eV).

Datorită faptului că toate materialele izolante se polarizează în

câmp electric ele se numesc şi dielectrici; nu toţi dielectricii sunt însă şi

izolanţi, unii fiind semiconductori (feritele, siliciul, germaniul etc).

Principalele utilizări ale lor sunt la izolarea circuitelor electrice

ale maşinilor şi aparatelor faţă de circuitele magnetice, faţă de masă sau

faţă de pământ şi ca dielectric pentru condensatoare. Dielectricii speciali

(feroelectrici, piezoelectrici, electreţi) au şi alte utilizări, în special ca

traductoare.

Solicitările complexe la care sunt supuse aceste materiale

(electrice, mecanice, termice, chimice) fac ca puţine dintre ele să fie

satisfăcătoare din toate aceste puncte de vedere.

Cunoaşterea proprietăţilor şi posibilităţilor de întrebuinţare a

acestor materiale este foarte importantă pentru că durata de viaţă a unei

maşini sau a unui aparat electric este limitată tocmai de durata de viaţă a

materialelor electroizolante din construcţia lor.

2.1 Definiţii şi criterii de clasificare a dielectricilor

Dielectric în sensul originar al cuvântului este un material rău

conducător de electricitate. O definiţie mai corectă a dielectricului este

aceea că el este materialul care prezintă stări de polarizaţie.

O clasificare a dielectricilor, utilizând diverse criterii, este redată,

sintetic, în tabelul 2.1.

Atât materialele electroizolante (în totalitate) cât şi cele

semiconductoare prezintă, la joasă temperatură, fenomenul de polarizare

mai pregnant decât fenomenul de conducţie.

MATERIALE ELECTROTEHNICE ______________________________________________________________________________

38

Luând în considerare cea de a doua definiţie, un prim criteriu de

clasificare al dielectricilor este cel al conducţiei electrice, după care

dielectricii pot fi izolanţi electrici sau semiconductori. Cele două clase de

materiale dielectrice sunt caracterizate prin valoarea rezistivităţii:

= 106 ... 1018 m la izolanţii electrici şi = 106 ... 1018 m la

semiconductori.

După tipul de polarizaţie pe care-l prezintă şi dependenţa sau

independenţa acesteia de câmpul electric aplicat, dielectricii se împart în:

pasivi, la care polarizaţia depinde de intensitatea câmpului electric E şi

activi, la care nu există o astfel de dependenţă.

Cei pasivi, în funcţie de mecanismul de polarizare sunt dielectrici

cu polarizaţie electronică, ionică sau de orientare.

Cei activi (denumiţi astfel pentru că pot fi utilizaţi pentru

generarea, amplificarea, modularea sau conversia semnalelor electrice),

în funcţie de factorul neelectric ce produce polarizarea permanentă sau

cvasipermanentă se pot ordona în: feroelectrici, piezoelectrici,

piroelectrici şi electreţi (cu polarizaţie cvasipermanentă).

După starea de agregare există dielectrici solizi, lichizi sau gazoşi

iar în funcţie de structura macroscopică ei pot fi omogeni sau neomogeni.

În funcţie de alcătuirea microscopică dielectricii pot fi cu

structură: cristalină, amorfă sau mesomorfă.

Tipul moleculei prezentate împarte dielectricii în polari – când

molecula prezintă moment electric elementar nenul – şi nepolari când

momentul electric al acesteia este egal cu zero.

Un alt criteriu de clasificare este funcţia de utilizare pe

care o pot îndeplini. Se cunosc şapte funcţii, determinate, în principal, de

mecanismele de polarizare pe care le prezintă dielectricul, şi anume:

- de dielectric pentru condensatoare;

- de izolator electric;

- neliniare şi parametrice;

- de traductor piezoelectric;

- de traductor electrooptic;

- de traductor de temperatură;

- de electret.

MATERIALE ELECTROIZOLANTE ______________________________________________________________________________

39

Tabelul 2.1.

Clasificarea dielectricilor

Nr crt Criteriul de clasificare Tipul de dielectric

1 conducţia electrică •izolanţi electrici

•semiconductori

2 mecanismul de polarizare •pasivi, cu polarizaţie:

ionică;

electronică;

de orientare.

•activi:

-piezoelectrici;

-piroelectrici;

-electreţi.

3 starea de agregare •solizi

•lichizi

•gazoşi

4 structura macroscopică •omogeni

•neomogeni

5 structura microscopică •cristalini

•amorfi

•mesomorfi

6 tipul moleculei •polari

•nepolari

7 tipul dependenţei inducţiei

electrice de câmpul electric •liniari

•neliniari

8 funcţia de utilizare •cu funcţia de:

dielectric pentru condensatoare;

-izolator electric;

-neliniare şi parametrice;

-traductor de temperatură;

-traductor piezoelectric;

-traductor electrooptic;

-electret.

9 comportarea cu temperatura •termoplastici

•termorigizi

10 valorile proprietăţilor fizice •izotropi


40

după diferite direcţii în material •anizotropi

În funcţie de uniformitatea sau neuniformitatea proprietăţilor

fizice după diferite direcţii din corpul solid, dielectricii pot fi izotropi sau

anizotropi, iar după modul de comportare cu temperatura pot fi

termoplastici sau termorigizi.

2.2 Caracteristicile electrice ale materialelor izolante

La introducerea dielectricului într-un câmp electric apar în acesta

două fenomene: unul de conducţie şi un altul de polarizaţie.

Fenomenul de conducţie constă în mişcarea ordonată, în raport cu

corpul, a unor purtători de sarcină. Acest fenomen apare deoarece

conductivitatea electrică a materialelor este diferită de zero, neexistând

izolanţi electrici perfecţi.

Fenomenul de polarizaţie constă în deplasarea limitată, sub

acţiunea câmpului electric, a electronilor şi ionilor sau în orientarea

moleculelor polare pe direcţia câmpului aplicat, la dielectricii polari. În

dielectricii neomogeni apare şi o aglomerare de sarcini electrice adevărate

pe suprafeţele de separaţie ale părţilor lor omogene. Toate aceste

deplasări limitate de sarcini dau naştere unor curenţi de polarizare.

La depăşirea unei anumite valori a tensiunii aplicate apare un nou

fenomen şi anume fenomenul de străpungere al materialului.

Circulaţia curenţilor de conducţie şi de polarizaţie dă naştere unor

pierderi de energie în material. În curent continuu, curenţii de polarizare

dispar într-un timp foarte scurt după aplicarea tensiunii şi, deci, pierderile

de energie se datorează numai circulaţiei curenţilor de conducţie. În câmp

variabil în timp, curenţii de polarizaţie circulă atâta timp cât este aplicată

tensiunea şi ca urmare, pierderile de energie se datorează atât

fenomenului de conducţie cât şi celui de polarizaţie.

Caracteristicile electrice ale dielectricilor sunt legate de

fenomenele amintite şi anume:

a. Permitivitatea dielectrică relativă, r este legată de fenomenul

de polarizare şi este definită, din punct de vedere macroscopic, ca fiind

raportul dintre capacitatea unui condensator având ca dielectric materialul

studiat şi capacitatea aceluiaşi condensator având ca dielectric vidul (sau

aerul), 0/r C C = . Din punct de vedere microscopic permitivitatea


41

relativă se defineşte cu relaţia: r = 1 + e, unde e este susceptivitatea

electrică. Permitivitatea relativă este un număr adimensional şi ia valori

de circa 1 la gaze, între 1 şi 3 la solide şi lichide nepolare, între 3 şi 15 la

solidele polare, zeci la lichidele polare şi sute sau mii la feroelectrici.

Permitivitatea absolută a materialului este produsul dintre r şi 0

( = 0 r ) şi se măsoară în F/m, unde 0 este permitivitatea vidului

egală cu 9 12

0 1/ 4 9 10 8,854 10 −= = F/m.

b. Rezistivităţile de volum v şi de suprafaţă s sunt legate de

fenomenul de conducţie.

Rezistivitatea de volum v se

defineşte ca rezistenţa măsurată în

curent continuu a unui cub de

material cu latura egală cu unitatea

(fig. 2.1) şi are valori între 106 şi

1018 m pentru materialele

electroizolante. Din figură rezultă:

Rv = U / Iv = va / a2 = v/a, deci:

v = Rva. Pentru a = 1 m rezultă:

v = Rv1 [m]. În practică, pe lângă

m se utilizează ca unitate de măsură şi cm (1cm = 10-2 m).

Rezistivitatea de suprafaţă s se defineşte, convenţional, pentru

materialele solide, ca fiind rezistenţa, măsurată în curent continuu, a unui

pătrat delimitat la suprafaţa materialului prin doi electrozi în formă de

cuţit (fig. 2.2). Din figură se poate scrie că: Rs = s d / b, deci pentru d = b

rezultă Rs = s [ ].

Curentul între cei doi

electrozi nu trece prin material ci

printr-o pătură subţire de

umezeală care se formează la

suprafaţa materialului. Grosimea

acestei pături (deci şi

rezistivitatea de suprafaţă)

depinde de compoziţia chimică,

de structura materialului, de

conţinutul de impurităţi solubile

din material, de starea de

Fig. 2.1 Definirea rezistivităţii de volum.

Fig. 2.2 Definirea rezistivităţii de suprafaţă.


42

prelucrare a suprafeţei, de temperatură şi de puritatea, umiditatea şi

presiunea mediului ambiant. Pentru materialele izolante s are valori între

108 şi 1018 .

c. Factorul de pierderi tg (tangenta unghiului de pierderi) este

legat atât de fenomenul de conducţie cât şi de cel de polarizaţie electrică

şi caracterizează mărimea pierderilor totale

de energie din dielectrici.

Unghiul de pierderi = 90 -

reprezintă complementul unghiului de defazaj

dintre tensiunea aplicată U şi curentul total

I (suma dintre curentul activ aI şi cel

capacitiv cI ) care străbate dielectricul (fig.

2.3). Pentru materialele uzuale tg ia valori

între 10-4 şi 10-1.

d. Rigiditatea dielectrică Estr este legată de fenomenul de

străpungere şi se defineşte ca fiind valoarea minimă a intensităţii

câmpului electric uniform la care are loc străpungerea materialului. Se

calculează ca raportul dintre tensiunea de străpungere Ustr şi grosimea d a

materialului dintre electrozi: Estr = Ustr /d în MV/m sau în kV/cm.

Deoarece în practică nu se pot obţine, întotdeauna, câmpuri

electrice uniforme mărimea Estr calculată cu relaţia de mai sus reprezintă

rigiditatea dielectrică tehnică, definită în anumite condiţii fizice de

experienţă. Este folosită pentru compararea materialelor izolante între ele

din punctul de vedere al străpungerii şi ia valori între unităţi de MV/m la

gaze şi materiale poroase şi 100 … 300 MV/m pentru sticlă, mică, folii

sintetice etc.

2.3 Polarizaţia electrică

2.3.1 Mecanisme de polarizare

Conform definiţiei adoptate (§ 2.1) dielectricii sunt materiale ce

prezintă stări de polarizaţie electrică. Prin stare de polarizaţie electrică se

înţelege starea materiei caracterizată prin moment electric al unităţii de

volum diferit de zero. Acest moment electric, calculat ca suma vectorială

Fig. 2.3 Definirea unghiului

de pierderi.


43

a momentelor dipolare elementare p din unitatea de volum, reprezintă

vectorul polarizaţie electrică P.

Momentul electric dipolar apare în

urma deplasării sarcinilor electrice de semn

opus sub acţiunea câmpului electric sau a

unor forţe mecanice şi se calculează cu

relaţia:

p = qleg d , (2.1)

unde qleg este sarcina electrică a dipolului şi

d - vectorul distanţă între cele două sarcini

ale dipolului considerat cu sensul de la -qleg la +qleg.

Dielectricii se pot polariza prin efecte ale câmpului electric aplicat

din exterior, starea de polarizaţie durând atâta timp cât acţionează câmpul

electric - caracterizată prin vectorul de polarizaţie temporară Pt - sau

prin efecte mecanice (piezoelectricitatea) sau termice (piroelectricitatea)

când starea de polarizaţie nu mai depinde de prezenţa câmpului electric -

caracterizată prin vectorul de polarizaţie permanentă Pp .

După mecanismul de realizare al polarizaţiei temporare există:

polarizaţie de deplasare (electronică şi ionică) şi polarizaţie de orientare.

Polarizaţia electronică apare în urma deplasării limitate şi

elastice a învelişurilor electronice ale atomilor (ionilor) sub acţiunea

câmpului electric; în urma deplasării, centrele sarcinilor negative

(electronii) şi pozitive (nucleul) nu mai coincid şi se formează dipoli

electrici.

Polarizaţia ionică apare în dielectricii cu legături ionice, în urma

deplasării limitate şi elastice a ionilor pozitivi şi negativi ai acestora, sub

acţiunea câmpului electric.

Polarizaţia de orientare dipolară constă în orientarea, pe direcţia

câmpului electric aplicat a momentelor electrice spontane ale

moleculelor, fiind prezentă numai în dielectricii polari.

Dielectrici polari sunt acei dielectrici ale căror molecule au

moment electric spontan (permanent), pp 0, la cei nepolari pp = 0.

În dielectricii neomogeni apare şi o polarizaţie de neomogenitate

care constă în apariţia unor sarcini electrice adevărate pe suprafeţele ce

separă părţile lor omogene. Ea se produce prin aceleaşi mecanisme ca şi

Fig. 2.4 Definirea momentului

electric dipolar.


44

polarizaţia temporară dar sub acţiunea câmpului electric suplimentar

produs de aceste sarcini electrice adevărate.

În funcţie de efectul care o produce, polarizaţia permanentă poate

fi: piroelectrică (prin efect termic), mai cunoscută sub denumirea de

polarizaţie spontană, sau piezoelectrică (prin efecte mecanice).

Polarizaţia spontană constă în ordonarea dielectrică ce apare, în

anumite domenii de temperatură, în structuri fără centru de simetrie dar

cu axă polară, în lipsa câmpului electric exterior.

Din categoria dielectricilor cu polarizaţie spontană utilizări

practice au cristalele feroelectrice la care direcţia sau sensul polarizaţiei

spontane Ps se poate schimba sub acţiunea unui câmp electric exterior.

Polarizaţia piezoelectrică apare în structurile fără centru de

simetrie sub acţiunea tensiunilor mecanice aplicate structurii.

În anumiţi dielectrici pot să apară stări de polarizaţie

cvasipermanente, cu o durată de existenţă limitată. Aceste stări pot fi

create prin tratament termic în câmp electric (termoelectreţi), iluminare în

prezenţa câmpului electric (fotoelectreţi) sau iradiere cu radiaţii

(pseudoelectreţi) etc.

În general, într-un dielectric nu există un singur mecanism de

polarizare, ci mai multe. Astfel, toate tipurile de polarizaţie permanentă

sunt însoţite şi de polarizaţia electronică (prezentă în toate materialele).

2.3.2 Funcţiunile materialelor dielectrice

Mecanismele de polarizare pe care le pot prezenta dielectricii

condiţionează principalele funcţii ce pot fi îndeplinite de aceştia. Acestea

sunt:

1. Funcţia de dielectric pentru condensatoare. Efectul fizic care

condiţionează funcţia este polarizaţia electrică de orice tip. Aşa cum s-a

arătat în § 2.2, permitivitatea dielectrică relativă arată de câte ori creşte

capacitatea C0 a unui condensator în vid prin introducerea unui dielectric

cu permitivitatea relativă r între armăturile sale: C = r C0.

În câmpuri electrice variabile în timp, permitivitatea nu mai poate

fi considerată o mărime scalară ci una complexă, definită cu relaţia:

r r r

0

Dj

E

= = − , (2.2)


45

unde ,D E sunt reprezentările în complex simplificat ale inducţiei

electrice, respectiv ale intensităţii câmpului electric şi 0 este

permitivitatea absolută a vidului.

Considerând un condensator care are ca dielectric un material

diferit de vid, în aproximaţia că liniile câmpului electric se închid în

întregime prin material, admitanţa la bornele lui are expresia:

( )r 0 r r 0 r 0 r 0Y j C j j C C j C = = − = + (2.3)

Deci condensatorul considerat (real) este echivalentul unui

condensator fără pierderi (ideal) cu capacitatea de r ori mai mare decât

cea în vid (Cech = r C0) în paralel cu o rezistenţă de pierderi

Rech = 1/ r C0 (fig. 2.5).

Deci partea reală a permitivităţii relative complexe r

caracterizează dielectricul din punctul de vedere al capacităţii sale de a se

polariza, fiind echivalentul lui r din regimul invariabil în timp, iar r îl

caracterizează din punctul de vedere al pierderilor de energie activă din

material.

Principala funcţie pe care dielectricul o îndeplineşte prin

introducerea sa între armăturile unui condensator constă în creşterea de

r ori a capacităţii condensatorului la aceleaşi dimensiuni geometrice.

Această proprietate este larg utilizată în tehnica condensatoarelor discrete

sau a celor din circuitele integrate.

Datorită fenomenelor de polarizare o parte din energia câmpului

electric se disipă în material, prin degajare de căldură, şi constituie

pierderile de energie activă prin polarizaţie. Factorul de pierderi prin

polarizaţie, tgh se defineşte cu relaţia:

Fig. 2.5 Schema electrică şi diagrama fazorială a unui condensator cu

un dielectric oarecare.


46

1

tgR

a rh

Cr ech ech r

U IP

P R CU I

= = = =

, (2.4)

unde Pa, Pr sunt puterea activă, respectiv reactivă la bornele

condensatorului.

Inversul tgh este factorul de calitate, Q:

Q R Ch

ech ech

r

r

= = =

1

tg

(2.5)

Într-un dielectric anizotrop liniar, permitivitatea relativă complexă

se defineşte ca un tensor de proporţionalitate între vectorii inducţiei şi

intensităţii câmpului electric:

r0D E = (2.6)

unde: 1

2

3

D

D D ;

D

=

1

2

3

E

E E

E

=

şi

=

333231

232221

131211

r .

Tensorul permitivitate relativă complexă este - în spaţiul

tridimensional - un tensor de ordinul II simetric (ij = ji), din

considerente termodinamice. Numărul componentelor independente şi

nenule ale acestui tensor se reduce şi mai mult în funcţie de simetria

cristalină a dielectricului anizotrop.

2. Funcţia de izolator electric. Îndeplinirea acestei funcţii se

bazează pe conducţia slabă din materialele electroizolante datorată

valorilor foarte mari ale rezistivităţii electrice pe care o prezintă aceste

materiale. Ele realizează, în principal, izolarea circuitelor electrice ale

maşinilor şi aparatelor electrice faţă de circuitele magnetice, faţă de masă

sau faţă de pământ şi în acest caz se impune ca ele să aibă şi rigiditate

dielectrică ridicată. Sunt utilizate şi pentru realizarea pieselor

electroizolante cu diverse întrebuinţări, pentru impregnarea unor

materiale cu caracteristici electrice mai slabe sau a unor sisteme de

izolaţie, pentru umplerea unor spaţii libere din diverse dispozitive, pentru

protecţia prin acoperire sau înglobare a diverselor piese, componente

electronice, micromotoare etc.

La utilizarea în domeniul frecvenţelor înalte este necesar ca aceste

materiale să aibă şi o permitivitate redusă pentru a se evita cuplajul

capacitiv între piesele izolante.


47

3. Funcţii neliniare şi parametrice. Îndeplinirea acestei funcţii se

bazează pe dependenţa neliniară dintre inducţia electrică şi intensitatea

câmpului electric D = f (E), la feroelectrici. De aici rezultă şi dependenţa

lui r de valoarea efectivă a câmpului electric alternativ Eef şi de

intensitatea câmpului electric continuu E0, în regimul de polarizare mixtă.

Variaţiile tipice sunt reprezentate în figura 2.6.

Fig. 2.6 Dependenţa părţii reale a permitivităţii feroelectricilor de intensitatea

câmpului electric: a - de valoarea efectivă a câmpului electric alternativ; b - de

intensitatea câmpului electric continuu.

Utilizările practice se bazează, în principal, pe aplicarea la bornele

unui condensator cu feroelectric a unei tensiuni de comandă (continuă

sau de joasă frecvenţă) şi introducerea acestui condensator într-un circuit

de sarcină de frecvenţă ridicată. În funcţie de valoarea tensiunii de

comandă se modifică valoarea permitivităţii r a feroelectricului, deci şi

capacitatea condensatorului va varia, modificând astfel curentul din

circuitul de sarcină. Pe acest principiu, cu modificări corespunzătoare ale

schemelor, se realizează: amplificatoare dielectrice, stabilizatoare

dielectrice de curent sau tensiune, modulatoare dielectrice pentru

modulaţie de amplitudine sau de fază.

4. Funcţia de traductor piezoelectric. Această funcţie o pot

îndeplini materialele care prezintă polarizaţie piezoelectrică, numite

materiale piezoelectrice. Efectul piezoelectric, pe care se bazează

îndeplinirea ei, poate fi direct când se transformă o energie mecanică în

una electrică (apare o polarizaţie electrică sub acţiunea forţelor mecanice)

sau invers când se transformă o energie electrică în una mecanică (se

a b


48

modifică dimensiunile materialului sub acţiunea polarizaţiei). Pe baza

acestor efecte se construiesc atât traductoare piezoelectrice directe

(microfoane cu cristal, doze pick-up, generatoare de înaltă tensiune

pentru aprindere etc) cât şi traductoare piezoelectrice inverse (traductoare

pentru curăţire cu ultrasunete, traductoare pentru sudură cu ultrasunete,

antene emiţătoare de ultrasunete etc).

De asemenea, acest efect este folosit în electronică pentru

realizarea dispozitivelor cu undă elastică de volum (rezonatoare,

transformatoare ceramice, filtre etc) şi a celor cu undă elastică de

suprafaţă (filtre trece bandă, filtre optimale, codoare şi decodoare pentru

semnale modulate în fază, linii de întârziere etc).

5. Funcţia de traductor electrooptic. Proprietăţile electrooptice

ale feroelectricilor şi ale cristalelor lichide stau la baza îndeplinirii

funcţiei de modulare comandată electric a intensităţii unui fascicol

luminos transmis sau reflectat de către dielectric. Pe baza acestei funcţii

se realizează dispozitivele de afişaj alfa - numerice sau analogice şi

memoriile optodielectrice de mare capacitate.

Interacţiunea undelor luminoase şi a celor elastice în interiorul sau

la suprafaţa unui mediu dielectric permite realizarea funcţiei de deflexie,

comandată electric, a unui fascicol luminos care se propagă prin

dielectric.

6. Funcţia de traductor piroelectric. Variaţia accentuată a

permitivităţii dielectrice relative a feroelectricilor cu temperatura, în

special în apropierea temperaturii Curie, permite acestora îndeplinirea

funcţiei de traductor piroelectric prin transformarea fluxului incident de

energie termică în energie electrică. Se construiesc, pe acest principiu,

traductoare pentru măsurarea temperaturii dar şi detectoarele de unde

milimetrice şi submilimetrice.

7. Funcţia de electret. Îndeplinirea acestei funcţii se bazează pe

polarizaţia remanentă de lungă durată (cvasipermanentă) a electreţilor.

Această polarizaţie permite crearea unui câmp electrostatic în interstiţiul

dielectric - armătură, câmp util în aparate ca: electrometre, dozimetre,

filtre pentru gaze etc. Variaţia câmpului electrostatic prin varierea

interstiţiului permite realizarea traductoarelor de vibraţii şi a

microfoanelor cu electret.


49

2.3.3 Polarizaţia temporară

Polarizaţia temporară depinde de intensitatea câmpului electric

aplicat, E şi durează atâta timp cât dielectricul se află sub acţiunea

acestuia. Ea se supune legii polarizaţiei temporare:

t e0P E = (2.7)

Câmpul electric E 0 care acţionează direct asupra unei particule

din material (atom, ion sau moleculă) - diferit de cel macroscopic E - se

numeşte câmp activ (sau interior) şi este determinat ca medie

macroscopică a câmpului microscopic e efectuată într-un volum infinit

mic fizic, în lipsa particulei asupra căreia se consideră acţiunea câmpului.

Câmpul E este aceeaşi medie efectuată în prezenţa particulei. Pentru

corpurile amorfe sau a căror structură cristalină prezintă simetrie sferică,

expresia lui E 0 este:

0

0

1E E P

3= + (2.8)

în care P este vectorul polarizaţie electrică şi 0 - permitivitatea vidului.

Pentru cazul general - materiale cu o simetrie structurală oarecare

- expresia lui E 0 este:

0

0

E E P,

= + (2.9)

unde este un coeficient ce depinde de structura materialului şi trebuie

determinat pentru fiecare caz în parte. În cazul gazelor aflate la presiuni

normale - ale căror molecule sunt foarte depărtate - se poate considera

0 şi rezultă 0E E .

Aşa cum s-a menţionat în paragraful 2.3.1 polarizaţia temporară

poate fi : de deplasare (electronică şi ionică), de orientare şi de

neomogenitate.

2.3.3.1 Polarizaţia electronică


50

Polarizaţia electronică este prezentă în toţi dielectricii şi apare

datorită deformării învelişului electronic al atomilor sau ionilor sub

acţiunea forţei pe care o exercită asupra lor câmpurile electrice interioare.

În cristalele covalente atomice, gazele nepolare şi lichidele

monoatomice polarizaţia electronică este singurul tip de polarizaţie care

apare.

Pentru studiul acestei polarizaţii se consideră modelul clasic al

atomului în care învelişul electronic al acestuia este asimilat cu o sferă de

rază R, egală cu raza atomului, în care sarcina electrică negativă -zq0

(z fiind numărul de electroni ai atomului şi -q0 - sarcina electronului) este

uniform repartizată cu densitatea de volum: v

zq

R=

− 0

34 3/. În absenţa

câmpurilor electrice aplicate din exterior centrul sarcinilor negative, adică

centrul sferei de rază R, coincide cu nucleul (centrul sarcinilor pozitive)

care are sarcina +zq0; atomul este, deci, neutru (fig. 2.7) şi corpul nu

prezintă stări de polarizaţie. La stabilirea în corp a unui câmp electric

exterior E , câmpul interior E 0 exercită forţe care deplasează învelişul

electronic în sens contrar lui E 0 şi nucleul în acelaşi sens cu acesta.

Masa nucleului fiind mult mai mare decât cea a electronilor, deplasarea

lui în câmp poate fi neglijată în raport cu cea a electronilor. În urma

acestor deplasări centrele sarcinilor pozitive şi negative nu mai coincid,

ceea ce conduce la formarea unui dipol, de lungime , cu momentul

electric 0ep zq= . Dacă Ne este numărul de atomi (ioni) din unitatea de

volum, atunci polarizaţia de tip electronic este:

e e eP N p= (2.10)

Pentru a stabili dependenţa polarizaţiei electronice eP de câmpul

activ 0E , se observă că, la echilibru, forţa rezultantă 0F F F = + care se

exercită asupra nucleului (sau asupra învelişului electronic) este nulă.

0 00F zq E= şi = F zq E0 sunt forţele exercitate asupra nucleului de

câmpurile electrice 0E şi E (câmpul electric stabilit în punctul O, în care

se află nucleul, de către învelişul electronic).

Pentru calculul lui E se constată că sarcinile electrice situate în

afara sferei mici de rază şi cu centrul în O creează în punctul O

câmpuri electrice ce se anulează reciproc, câmpul E fiind creat numai


51

de sfera mică încărcată uniform, cu sarcina electrică totală 33

0 0v sfera 3 3

zq zq4q V

34 R / 3 R

−= = = − .

Câmpul E se calculează

simplu, considerându-se produs

de o sarcină punctuală situată în

punctul O şi egală cu sarcina q: 3 3

0 0

2 3

0 0

e

3

0

zq / R zqE

4 4 R

p

4 R

− − = = =

−=

(2.11)

Din condiţia de echilibru:

0 00 0F F F zq E zq E 0 = + = + = ,

rezultă 0E E= − şi introducând

în (2.11) avem: 3

0 0e 0 ep 4 R E E = = (2.12)

cu e R= 4 0

3.

Mărimea e se numeşte

polarizabilitate de tip electronic

şi caracterizează capacitatea

atomului (ionului) de a se

polariza electronic, fiind

dependentă numai de

caracteristicile particulei. Calculul cuantic efectuat pentru atomul de

hidrogen conduce la valoarea: e R= 18 0

3 care, deci, nu diferă esenţial

de cea clasică. Vectorul polarizaţie electronică este:

e 0e eP N E= (2.13)

Din relaţiile (2.13), (2.7) şi (2.9) rezultă expresia permitivităţii

relative pentru un dielectric care prezintă numai polarizaţie electronică:

re

N

N

N R

N R

e e

e e

e

e

= +−

= +−

11

14

1 4

0

0

3

3

/

/ (2.14)

Pentru gaze, unde , se obţine pentru permitivitatea relativă o

relaţie simplă:

re eN R= +1 4 3 , (2.15)

Fig. 2.7 Polarizaţia electronică.


52

care permite o aproximare a valorii permitivităţii.

Cu Ne NA=6,021026 atomi/m3 şi R 10-10 m rezultă:

regaze = + +− −1 4 6 02 10 10 1 1026 30 3, , deci 3

e 10 −= .

Într-adevăr, la gaze susceptivitatea este de ordinul 10-5…10-3.

Deşi numărul de particule este mare, efectul polarizării electronice nu

este semnificativ asupra susceptivităţii electrice totale, permitivitatea

relativă a gazelor fiind foarte apropiată de 1. Pentru un material solid

nepolar (şi nemetalic), considerând valorile tipice: Ne = 51028 atomi/m3,

e = 10-40 Fm2 şi = 1/3 se obţine re 1,75, valoare apropiată de cea

reală.

În ceea ce priveşte variaţia cu temperatura se constată că e nu

variază, practic, cu temperatura - în domeniul temperaturilor uzuale -

deoarece la aceste temperaturi învelişul electronic nu suferă deformaţii.

De asemenea, Ne şi variază puţin cu temperatura (în acest domeniu de

temperaturi) la solide şi lichide, astfel că permitivitatea este practic

independentă de temperatură. În cazul gazelor, la care dilatările sunt mai

sensibile şi deci Ne scade la creşterea temperaturii, rezultă o scădere

sesizabilă a lui re gaze cu temperatura (fig. 2.8).

Deşi polarizaţia electronică

apare în toate corpurile ea este

neglijabilă în cazul metalelor sau a

corpurilor formate din ioni care nu mai

au nici un electron de valenţă. În

aceste cazuri, electronii atomilor

metalici şi ai ionilor care şi-au pierdut

toţi electronii de valenţă sunt puternic

legaţi de nuclee (fiind situaţi pe

straturi electronice inferioare) şi

deplasarea lor sub acţiunea câmpului electric este neglijabilă, deci şi

polarizaţia electronică este practic nulă.

2.3.3.2 Polarizaţia ionică

Polarizaţia ionică (alături de cea electronică) apare în corpurile cu

legături ionice (cristale ionice), cele formate din combinaţii între

Fig. 2.8 Variaţia re =f(T) în

cazul polarizaţiei electronice.


53

elementele grupelor II şi VI, III şi V sau dintre unele elemente ale grupei

a IV (SiC), precum şi în corpurile care au molecule formate din dipoli.

Mecanismul de producere al acestei polarizaţii constă în

deplasarea ionilor faţă de poziţia avută în absenţa câmpului electric

aplicat, ceea ce determină creşterea momentelor electrice ale dipolilor

orientate în sensul câmpului în detrimentul celor orientate în sens contrar,

şi corpul se polarizează electric.

Pentru a pune în evidenţă fenomenul se consideră o unitate

structurală cristalină unidimensională formată din trei ioni consecutivi -

ca în figura 2.9. În absenţa câmpului exterior ionii pozitivi alternează cu

cei negativi, plasaţi la distanţe egale cu constanta reţelei cristaline, a.

În lipsa câmpului

electric, 0E 0= ,

momentele electrice de

dipol sunt egale şi de

sens contrar:

aqpp m==2010 (2.16)

Momentul total al

unităţii structurale:

020100

=+= pppi

este nul şi corpul nu este

polarizat ionic. La

aplicarea câmpului electric, 00 E , ionii se deplasează (cei pozitivi în

sensul câmpului, cei negativi în sensul opus) pe distanţa , ceea ce duce

la situaţia: 21pp şi deci 0

21+= ppp

i .

Modulul lui i

p este: pi = p1 - p2 = qm(a - 2) - qm(a + 2) = 4qm.

Deplasarea ionilor creşte până la atingerea echilibrului energetic, când

variaţia energiei potenţiale a ionilor în urma deplasărilor, W0 este

compensată de energia WE preluată de la câmpul electric aplicat, deci

W0 = WE. Energia W0 se calculează ca diferenţa între energia

potenţială finală şi cea iniţială a sistemului de sarcini legate:

( ) ( ) ( )22

0

22

0

2

0

2

0

2

044

8

4

2

2424

−

−=−

−

−+

+

−=

aa

q

a

q

a

q

a

qW mmmm (2.17)

Fig. 2.9 Polarizaţia ionică.


54

Având în vedere că a se poate face aproximaţia: a2 - 42 a2.

Egalând cele două energii, rezultă:

3

0

22

04

8

a

qEp m

i

−=− (2.18)

sau:

− =−

p Ep

ai

i

0

2

0

38, (2.19)

de unde se obţine:

003

08 EEap ii == , unde i = 80a

3 (2.20)

în care i este polarizabilitatea de tip ionic.

Polarizaţia electrică de tip ionic are expresia:

0i i i iiP N p N E= = , (2.21)

în care Ni este numărul de unităţi structurale din unitatea de volum a

dielectricului.

Din relaţiile (2.21), (2.7) şi (2.9) rezultă:

e ri

i i

i i

N

N= − =

−1

1

0

0

/

/ (2.22)

Pentru gaze (unde 0)

e = ri - 1 = N i i / 0 . Variaţia cu

temperatura a mărimilor şi Ni este foarte

mică (la temperaturi uzuale) dar i poate

creşte ne neglijabil cu temperatura, datorită

faptului că agitaţia termică intensă

favorizează deplasările ionilor sub acţiunea

câmpului E0 prin slăbirea legăturilor

chimice şi măresc, respectiv micşorează momentele 1

p şi 2

p . Rezultă că

ri creşte cu temperatura (dar nu prea mult la temperaturile uzuale) -

figura 2.10.

Deoarece constanta reţelei cristaline, a este mult mai mare decât

raza atomică permitivitatea relativă datorită polarizaţiei ionice ri este, în

general, mai mare decât cea datorată polarizaţiei electronice re

(ri/re=3,83 la LiF, 2,27 la KF dar şi 0,9 la RbI). Cristalele ionice au

permitivităţi de la 7 … 8 până la zeci, chiar sute de unităţi (2

104riTiO = ).

Fig. 2.10 Variaţia ri=f(T) în

cazul polarizaţiei ionice.


55

Deoarece masa ionilor este mult mai mare decât cea a electronilor

polarizaţia ionică se stabileşte într-un timp mai lung decât cea electronică

(10-12 …10-13 s faţă de 10-14 …10-15 s la cea electronică).

2.3.3.3 Polarizaţia de orientare

Se realizează în dielectricii care au molecule polare (cu moment

electric permanent 0p

p ) prin rotirea acestora de către câmpul electric

interior. În dielectricii polari există doi factori care determină orientarea

dipolilor: câmpul electric interior şi agitaţia termică. Excepţie fac

feroelectricii unde dipolii sunt în interacţiune puternică unii cu alţii, ceea

ce determină ordonarea omoparalelă a acestora pe distanţe mari

comparativ cu distanţa interatomică - domenii Weiss electrice- orientarea

de la un domeniu la altul fiind haotică. Deoarece rotirea moleculelor se

realizează diferit de la o stare de agregare la alta şi polarizaţia de

orientare se va studia pentru fiecare stare de agregare în parte.

1. Polarizaţia de orientare a gazelor şi lichidelor. În gaze (mai

ales) şi în lichide, moleculele polare se pot roti relativ uşor (cu excepţia

lichidelor foarte vâscoase).

În lipsa câmpului electric momentele electrice permanente pp ale

moleculelor polare sunt orientate haotic datorită agitaţiei termice, astfel

că suma lor din unitatea de volum este nulă, deci materialul nu este

polarizat electric (fig. 2.11,a).

La introducerea dielectricului polar într-un câmp electric acesta

orientează moleculele astfel ca 0E şi pp să fie omoparalele pentru că în

această situaţie energia potenţială a dipolului în câmpul electric este

minimă. La această tendinţă de ordonare se opune agitaţia termică şi, ca

urmare, momentele pp nu au toate orientarea lui 0E însă, în majoritate,

0E şi pp formează unghiuri ascuţite, deci corpul este polarizat electric

( 0P 0 ). Când temperatura dielectricului creşte, mişcarea de agitaţie

termică se intensifică şi acţiunea mărită de dezordonare determină

scăderea polarizaţiei de orientare.


56

Calculul clasic al polarizaţiei de orientare pentru gaze şi lichide

dă rezultate bine verificate de experienţă. Se consideră o sferă cu raza r

= 1 în centrul căreia se găseşte o moleculă polară (fig. 2.12) şi fie dP

probabilitatea ca pp să fie conţinut în unghiul solid

ddA

rdA = =

cos2 (

fiind unghiul dintre raza

sferei şi normala la suprafaţa

ei, deci cos = cos0 =

1), adică pp să formeze cu

0E un unghi cuprins între

şi +d.

Considerând statistica

Maxwell - Boltzman putem

scrie dP=C exp[-Wp/kT] d,

unde C este o constantă şi

Wp = - pp 0E = -pp E0 cos

este energia potenţială a

moleculei polare în câmpul

electric 0E şi atunci dP = C exp[pp E0 cos / kT] dA = C exp[b

cos] sin d d, cu b = pp E0 / k T. Constanta C se determină

din condiţia de normare la unitate:

Fig. 2.12. Referitoare la polarizaţia de orientare

a b

Fig. 2.11. Distribuţia moleculelor polare: a - în absenţa câmpului electric; b - în

prezenţa câmpului electric


57

( ) ( )2 1

0 0 1

dP C d exp[ bcos ] sin d 2 C exp bcos d cos 1

−

= = − =

rezultând pentru C expresia:

( ) ( )

C

b d

=

−

−

1

21

1

exp cos cos

şi pentru dP:

1

1

exp( bcos )d(cos )ddP

2 exp( bcos )d(cos )

−

=

.

Momentul electric mediu ~pp se determină printr-o mediere a lui

pp pe tot volumul sferei: ~pp = p dPp

.

Se poate verifica faptul că vectorul ~pp are componentă nenulă

numai după axa Oz; valoarea ei fiind:

1

1

p p p 1

1

1

1

p 1

1

1

p p

1

p

exp( bcos )cos d(cos )

p p cos dP p

exp( bcos )d(cos )

dexp( bcos )d(cos )

dbp

exp( bcos )d(cos )

d d exp( b ) exp( b )p ln exp( bcos )d(cos ) p ln

db db b

exp( b ) exp( b )p

exp( b ) e

−

−

−

−

−

= = =

= =

− − = == =

− − −=

− −

p p

1p cthb 1 / b p L( b ),

xp( b ) b

− = − =

(2.23)


58

unde L(b)=cth b-1/b este

funcţiunea lui Langevin şi are

reprezentarea din figura 2.13.

La temperaturi uzuale şi

pentru câmpuri electrice

obişnuite b = ppE0/kT are

valori mici şi L(b) poate fi

aproximată cu tangenta în

origine la curbă: L(b) b/3.

În acest caz, ~ / /p p b p E kTp p p= =3 32

0 iar

polarizaţia de orientare este: 2

o o p o p 0 o o 0P N p N p E / 3kT N E= = = (2.24)

unde No este numărul de molecule polare din unitatea de volum şi

o = pp2 / 3 k T = C0 / T este polarizabilitatea de orientare.

Din relaţiile (2.24), (2.9) şi (2.11) rezultă:

e ro

o o o

o o o

o o

o o

N

N

N C T

N C T= − =

−=

−1

1 1

0

0

/

/

/

/ (2.25)

Polarizaţia de orientare creşte cu E0, conform relaţiei (2.24) şi

tinde asimptotic spre valoarea de saturaţie Po = No pp, când toate

momentele electrice sunt orientate în sensul câmpului electric.

Dependenţa de temperatură a susceptivităţii şi a permitivităţii

relative este indicată de relaţia (2.25).

În cazul gazelor (0): ro = 1 + No C0 / 0 T, deci e şi ro scad

hiperbolic cu temperatura

(fig. 2.14, curba 1).

Pentru lichide, la

temperaturi joase (TTcritic)

lichidul este vâscos (agitaţie

termică slabă) şi moleculele

sunt orientate cu dificultate de

câmp; la creşterea temperaturii,

agitaţia termică mai intensă

slăbeşte legăturile chimice

dintre molecule, şi câmpul le

orientează mai uşor şi ro creşte

Fig.2.13 Funcţia lui Langevin.

Fig. 2.14. Variaţia ro = f (T) pentru gaze

polare (1) şi pentru lichide polare (2).

a

b

c


59

(porţiunea ab din figura 2.14,

curba 2).

Pentru TTcritic agitaţia

termică intensă determină ca

şi la gaze scăderea

permitivităţii (porţiunea bc),

conform expresiei (2.25)

valabilă pentru lichide doar

pentru TTcritic.

2. Polarizaţia de

orientare a solidelor. În cazul

dielectricilor solizi polarizaţia

de orientare depinde în mod

determinant de temperatură. La temperaturi foarte joase (TTII, fig. 2.15),

moleculele polare ale solidelor sunt “îngheţate” - datorită forţelor mari de

coeziune dintre ele - şi nu pot fi orientate de câmpul electric, iar

polarizaţia este practic nulă, ro 1 (porţiunea ab din figura 2.15). La

temperaturi mai mari (TIITTcritic) agitaţia termică reduce forţele de

coeziune şi orientarea moleculelor polare este favorizată, permitivitatea

crescând cu creşterea temperaturii (porţiunea bc). La temperaturi peste

Tcritic se observă, ca şi la gaze, scăderea lui ro cu T, datorită agitaţiei

termice intense (porţiunea cd). În cazul în care E0 orientează întreaga

moleculă (macromoleculă) se spune că polarizaţia este nestructurală

(curba nepunctată din figura 2.15), iar dacă numai anumite părţi - cele

polare - ale macromoleculei sunt rotite, polarizaţia se numeşte structurală

(curba punctată). Evident, Tcritic este mai mică la polarizaţia structurală

decât la cea nestructurală pentru că e mai uşoară rotirea părţilor

macromoleculei decât rotirea ei în întregime. La multe solide, Tcritic

Ttopire în cazul polarizaţiei nestructurale.

Temperatura foarte joasă la care agitaţia termică scade atât de

mult încât moleculele îşi pierd mobilitatea se numeşte temperatură de

transformare de fază de ordinul II, TII.

Calculul susceptivităţii electrice pentru Tcritic T Ttopire [18, pag.

110], conduce la un rezultat similar cu (2.25):

e

o o

o o

o

o

N

N

N C T

N C T=

−=

−

/

/

/

/

0

0

0 0

0 01 1 (2.26)

Fig 2.15 Variaţia ro = f(T) pentru solide polare.


60

în care însă C0 depinde şi de unghiul dintre momentul electric al

moleculei polare pp şi câmpul electric activ E0 , prin relaţia:

=Cp

k

p

0

2 2cos (2.27)

Având în vedere fenomenele care contribuie la ordonarea

momentelor electrice este de aşteptat ca polarizaţia de orientare să se

realizeze într-un timp mai mare (10-8…10-6 s) decât în cazul polarizaţiei

de deplasare. Peste frecvenţele de 106…108 Hz moleculele polare nu mai

pot urmări variaţia câmpului electric şi materialul nu mai prezintă

polarizaţie de orientare.

2.3.3.4 Ecuaţia Clausius - Mosotti

Pentru un dielectric omogen care prezintă toate cele trei tipuri de

polarizaţie electrică (electronică, ionică şi de orientare) starea de

polarizaţie se descrie cu mărimea polarizaţie electrică totală P , obţinută

prin însumarea polarizaţiei electronice Pe , ionice Pi şi a celei de

orientare Po :

e i o 0 0e e i i o o k k

k

P P P P ( N N N )E N E = + + = + + = , (2.28)

unde: k k e e i i o o

k

N N N N = + + .

Înlocuind în (2.28) pe E0 cu E0 = E P+

0

, relaţia devine:

EN

N

Pkk

k

kk

k

0/1

−= (2.29)

Comparând ultima expresie cu legea polarizaţiei temporare

( )P E Ee r= = − 0 0 1 , rezultă:

0

0

/

11 /

k k

kr

k k

k

N

N

− =−

(2.30)


61

Pentru un solid cu simetrie sferică şi aflat la o temperatură T TII

sau pentru gaze, la presiuni înalte - la care se poate considera = 1/3 -

expresia (2.30) devine:

kk

kr

r N

=

+

−

03

1

2

1 (2.31)

Relaţia de mai sus, numită ecuaţia Clausius - Mosotti, oferă o legătură

cantitativă directă între mărimile microscopice - numărul de particule din

unitatea de volum N şi polarizabilitatea (legată intrinsec de

proprietăţile particulei care se polarizează) - şi mărimea macroscopică de

material - permitivitatea dielectrică relativă r.

Relaţia (2.31) poate fi scrisă în funcţie de masa molară Mk şi de

densitatea masică dmk având în vedere dependenţa concentraţiei volumice

Nk de aceste mărimi:

k

mkA

kM

dNN = , (2.32)

unde NA este numărul lui Avogadro. Rezultă:

k

k

mkA

r

r

M

dN

=

+

−

032

1 (2.33)

Pentru gaze, la presiune normală ( 0), expresia (2.30) devine:

kk

k

r N

=−0

11 (2.34)

cunoscută sub denumirea de relaţia lui Debye.

2.2.3.5 Polarizaţia de relaxare (de neomogenitate, interfacială)

Polarizaţia de relaxare apare atât în cazul unor dielectrici

stratificaţi (polarizaţie interfacială) cât şi în cazul unui amestec de

dielectrici de naturi diferite (polarizaţie de neomogenitate).

Polarizaţia interfacială apare în dielectricii omogeni combinaţi,

pe ale căror suprafeţe de separaţie între părţile lor omogene apar sarcini

electrice care se comportă ca dipoli. O întâlnim în cazul stratificatelor

(textolit, micanită, preşpan, sticlotextolit etc) unde straturile de natură

diferită (straturi de lac, foiţe de materiale plastice, fibre de mătase,

bumbac, sticlă etc) au conductivitatea electrică şi permitivitatea


62

dielectrică diferite. Astfel, stratificatele se comportă în câmp electric ca

dielectrici neomogeni.

Polarizaţia de neomogenitate apare într-un amestec de dielectrici

când suprafeţele de separare dintre părţile lor omogene se încarcă electric

la aplicarea unui câmp electric exterior. O astfel de situaţie se întâlneşte

în cazul dielectricilor ceramici cu structură policristalină (fig. 2.16).

Datorită mobilităţii diferite a sarcinilor electrice în cele două

medii pe suprafeţele de separare dintre ele se acumulează sarcină

electrică adevărată. Feţele opuse ale cristalitelor fiind încărcate cu sarcini

de semne contrare, se comportă ca nişte dipoli electrici, astfel că

macroscopic corpul prezintă stare de polarizare. Deplasarea şi

acumularea sarcinilor electrice se desfăşoară într-un timp îndelungat. În

cazul stratificatelor, deplasarea sarcinilor are loc perpendicular pe strat,

adică în direcţia conductivităţii electrice foarte mici. De aceea efectul

polarizării interfaciale poate fi constatat după ore sau chiar zile de la

introducerea materialului în câmp electric.

Pentru a explica mecanismul polarizaţiei de relaxare considerăm

cazul unui dielectric dispus între

armăturile unui condensator,

format din două domenii k şi

omogene, separate prin suprafaţa

Skl (fig. 2.17). La aplicarea unui

câmp electric, spre suprafaţa Skl

vin, respectiv pleacă purtători de

sarcină electrică; dacă

mobilităţile lor sunt diferite în

a b

Fig. 2.16 Modelul microscopic al dielectricului ceramic cu structură policristalină:

a - în cazul Eo = 0 ; b - în cazul Eo 0

Fig. 2.17 Referitoare la polarizaţia de

neomogenitate.


63

domeniile k şi pe această suprafaţă se acumulează o cantitate de

sarcină qskl, care se repartizează cu densitatea de suprafaţă skl.

Folosind următoarele legi ale electrotehnicii:

-legea conservării fluxului electric, sub forma locală:

( ) ( ) sklnkknllkkllklklkls EEEEnDDnDdiv =−=−=−=

-legea conservării sarcinii electrice (în regimul staţionar pe care îl

considerăm): div J J Js nl nk= − = 0 , deci J Jnl nk= şi

-legea conducţiei electrice: J E= , rezultă:

skl l nl k nk nl

l

l

k

k

E E J= − = −

(2.35)

În relaţiile de mai sus nkl este versorul normalei la suprafaţa Skl,

En, Jn - componentele normale la suprafaţa Skl a intensităţii câmpului

electric, respectiv a densităţii curentului electric de conducţie.

Din relaţia (2.35) rezultă că skl 0 dacă ultima paranteză este

nenulă. Deci, pe suprafaţa Skl se concentrează sarcină electrică dacă este

satisfăcută inegalitatea:

k / k l / l, respectiv, k l (2.36)

unde k = k / k şi l = l / l sunt duratele de relaxare ale purtătorilor de

sarcină din dielectricii k şi , durate care măsoară variaţia locală a

sarcinii electrice în regimul liber, nestaţionar. La suprimarea câmpului

electric densităţile de sarcină electrică se anulează practic după o durată

egală cu (3…5), prin procese de difuzie.

Purtătorii de sarcină acumulaţi pe suprafaţa de separaţie produc

un câmp electric suplimentar Es, în raport cu cel aplicat E, care produce o

polarizaţie suplimentară P numită polarizaţie de relaxare (de

neomogenitate, interfacială, între straturi). Ca mecanism microscopic de

formare, ea nu diferă de polarizaţiile electronică, ionică sau de orientare,

ci le aparţine (în funcţie de natura dielectricilor care compun dielectricul

neomogen).

O importanţă deosebită pentru proiectarea unor amestecuri

dielectrice (des întâlnite în practică) prezintă cunoaşterea modului de

variaţie a permitivităţii medii a acestora în funcţie de concentraţiile şi

permitivităţile componentelor.

O bună cunoaştere a dependenţei acestei permitivităţi de

concentraţii permite proiectarea unor combinaţii optime care să aibă

anumite proprietăţi cerute într-o aplicaţie dată. De exemplu, la lichide se


64

poate modifica vâscozitatea, permitivitatea, punctul de solidificare, iar la

masele plastice cu comportament termoplastic se poate ameliora

stabilitatea chimică, rezistenţa mecanică etc prin adaos de anumiţi

componenţi.

Această cunoaştere este utilă şi în măsurători. De exemplu, din

materialele ce se preyintă sub formă de granule sau cristale neregulate

este dificil de confecţionat eşantioane adecvate pentru efectuarea de

determinări dielectrice experimentale. În astfel de situaţii se recurge la un

artificiu constând în a dispersa granulele (în concentraţie cunoscută) într-

o matrice de încapsulare termorigidă sau într+o pudră din care se pot

obţine pastile printr-o simplă compresiune. Dacă se cunoaşte relaţia

dintre permitivitatea medie a amestecului m, permitivitatea fazelor

(dispersată 2 şi continuă 1) se poate determina 2 prin măsurarea

permitivităţii amestecului.

Relaţiile de calcul propuse de diverşi cercetători au, de obicei, la

bază fie utilizarea schemelor echivalente (în tratările simple, cum sunt

stratificatele) fie teorii ale câmpului mediu (efectiv)

Un mod de stabilire a relaţiei de calcul a permitivităţii medii,

pentru un dielectric constituit din amestecul omogen a doi dielectrici cu

permitivităţile 1 şi 2, în condiţiile: 1 şi 2 nu diferă prea mult iar

concentraţia dielectricului cu permitivitatea mai mare este mică în

amestec, este redat mai jos.

Se notează cu concentraţia în amestec a dielectricului cu

permitivitatea 2 şi ca urmare cea a dielectricului cu permitivitatea 1 este

(1 - ). Cu ajutorul unei valori medii m a permitivităţii amestecului, se

poate defini o polarizaţie medie Pm prin relaţia:

( ) ( )m0 em 0 rm m 0

P E 1 E E = = − = − (2.37)

Considerând că Pm = P2 +(1-) P1 se poate scrie:

Pm = (2 -0) E2 + (1-) (1-0) E1 (2.38)

unde 1E şi 2E sunt valorile intensităţii câmpului electric în cele două

componente. Calculul lor reprezintă principala dificultate în stabilirea

expresiei lui m. Dacă se consideră că cele două componente sunt formate

din mici sfere scufundate în dielectricul de permitivitate m, rezultă, prin

rezolvarea ecuaţiei lui Laplace, expresiile:

E Em

m

1

1

3

2=

+

E E

m

m

2

2

3

2=

+

(2.39)


65

Introduse în (2.38) se obţine:

( )

( )( )

( )

m

m

m

m

m

E E E− =−

++ −

−

+0

2 0

2

1 0

1

3

21

3

2 (2.40)

care conduce la egalitatea:

m

m m

−=

−

+

1 2 1

23 2 (2.41)

numită relaţia lui Böttcher.

Indicăm şi câteva expresii obţinute de alţi cercetători:

Formula lui Lichtenecker – Rother sau „legea logaritmică a

amestecurilor”.

m

m i ii 1

log log =

=

Expresia lui Rayleigh - Maxwell:

( ) ( ) ( )( ) / / m m− + = − +1 2 2 1 2 12

Expresia lui O. Wiener:

( ) ( ) ( )( ) / / m m u u− + = − +1 2 2 1 2 1 , cu u()

Expresia lui V.I.Odelevskij:( ) ( )m 1

1 2 1

11 / 3

= +

− −

Expresia lui Maxwell - Wagner:

( ) ( )

( )2 1 2 1

m 1

2 1 2 1

2 2

2

+ + −=

+ − −

Rezultă că dacă se determină 1, 2 şi se poate calcula m. Invers

însă, nu este, în general, posibil ca având m, şi 1 să se calculeze 2 sau

cunoscând pe 2 să se calculeze 1.

2.2.3.6 Permitivitatea dielectricilor în câmpuri electrice

armonice

La aplicarea unor câmpuri electrice cu variaţie sinusoidală în

raport cu timpul, cu frecvenţa f = , procesele de polarizare care se

stabilesc în dielectric: deplasarea învelişului electronic (polarizaţia

electronică), deplasarea ionilor (polarizaţia ionică), rotirea moleculelor


66

polare (polarizaţia de orientare) sunt, de asemenea, procese armonice (cu

variaţie sinusoidală în timp).

Pentru caracterizarea fenomenelor de polarizare în regim

sinusoidal s-a introdus mărimea permitivitate complexă , cea relativă

r fiind definită cu relaţia (2.2).

Pentru stabilirea expresiilor părţilor reale r şi imaginare r ale

permitivităţii relative complexe r

se studiază separat cazul polarizaţiilor

electronică şi ionică - care dau expresii de aceeaşi formă - şi cel al

polarizaţiilor de orientare şi de relaxare.

Considerăm un cristal ionic unidimensional unde ionii sunt

aşezaţi ca în figura 2.9. La aplicarea unui câmp electric sinusoidal

E(t)=Emaxsint, câmpul E0(t) - tot sinusoidal - produce o polarizaţie a

unităţii structurale: pi(t) = p1-p2 = 4qm(t) = qmu(t), unde u(t) = 4(t) este

deplasarea relativă dintre ioni iar vectorul polarizaţie de tip ionic este:

Pi = Nipi (t) = Niqmu(t).

Pentru a determina permitivitatea relativă în câmp alternativ

sinusoidal se consideră toate forţele care acţionează asupra unui ion:

-forţa electrică: FE = qmE0;

-forţa elastică, care tinde să readucă ionul în poziţia de echilibru,

ocupată în absenţa câmpului electric: Fel = - kelu(t), kel fiind constanta de

elasticitate;

-forţa de frânare, prin care se ţine seama că fiind accelerat de

câmpul electric, ionul radiază câmp electromagnetic, deci pierde energie

şi viteză: Ff = - v = - ( )du t

dt, unde este o mărime de material.

La echilibrul dinamic rezultă:

md u

dtq E k u

du

dtm el

2

2 0= − − (2.42)

unde m este masa ionului şi am notat u(t) = u.

Multiplicând ecuaţia (2.42) cu Niqm rezultă:

md P

dt

dP

dtk P N q E

i i

el i i m

2

2

2

0+ + = (2.43)

Ţinând cont şi de expresia (2.8) a lui E0, avem:

d P

dt m

dP

dt

k

m

N q

mP

N q

mE

i i el i m

i

i m

2

2

2

0

2

+ + −

=

(2.44)


67

Deoarece interesează numai soluţiile armonice ale ecuaţiei (2.44),

o reprezentăm în complex:

− + + = 2 2 2P j mP P N q m Ei i oi i i m/ ( / ) (2.45)

unde 2 2

oi el i m 0( k N q / ) / m k / m = − = este pătratul pulsaţiei de

rezonanţă oi pulsaţie aproximativ egală cu pulsaţia de oscilaţie proprie a

ionului. Din (2.45) rezultă expresia polarizaţiei ionice în complex:

2

i m

i 2 2

oi

N q 1P E

m j / m =

− + (2.46)

Relaţia (2.48) pune în evidenţă faptul că Pi şi E nu sunt în fază,

polarizaţia fiind retardată în raport cu câmpul. Această retardare se

numeşte post efect electric, sau vâscozitate electrică. Comparând (2.46)

cu legea polarizaţiei temporare scrisă în complex:

( )EEP riei 100 −== , rezultă:

222222

22

0

2

/)(

/)(1

m

mj

m

qNj

oi

oimi

rrri

−−

−−+=−= (2.47)

de unde:

222222

0

2

222222

22

0

2

/)(

/Im

/)(1Re

m

m

m

qN

mm

qN

oi

mi

rr

oi

oimi

rr

+−==

+−

−+==

(2.48)

În figura 2.18,a se indică modul de variaţie cu pulsaţia (deci şi cu

frecvenţa) a componentelor permitivităţii relative şi ale tgh = r/r

pentru polarizaţiile ionică şi electronică (expresiile obţinute pentru

polarizaţia electronică fiind cele date de relaţiile (2.48) cu diferenţa că oi

este înlocuit cu oe care are o altă valoare).

Se poate observa că numai pentru oi, ri şi ri

prezintă

variaţii importante. Pentru =0, 2 2

r i m o 0 rst1 N q / m = + = , mărimea r

fiind, deci, permitivitatea relativă în sensul obişnuit, la frecvenţe

variabile.

Se observă că pentru oi se obţine r=1 şi deci, corpul nu mai

este polarizat; explicaţia fiind aceea că la frecvenţe prea înalte ionul nu


68

mai poate urmări oscilaţiile câmpului electric şi formarea dipolilor cu

ip nu se mai produce.

Pentru polarizaţiile de orientare şi de neomogenitate se pot neglija

termenii md2P/dt2, deci termenul -2P din ecuaţia similară cu (2.47), şi se

obţin expresiile:

= +

+= +

−

+

= +

= −

+

r

rst

r

rst

Nq k

k

Nq

k

1 11

1

1

1

2

0

2 2 2 2 2

2

0

2 2 2 2 2

( ) (2.49)

unde rst=1+Nq

k

2

0 şi = / k .

Variaţia cu pulsaţia a componentelor permitivităţii complexe,

conform expresiilor (2.49), este reprezentată în figura 2.18, b. Pulsaţiile

de rezonanţă pentru polarizaţiile de orientare şi de neomogenitate sunt:

0o (0n) = 1/.

Frecvenţele de rezonanţă f0 = 0 / 2 sunt diferite la tipurile

de polarizaţii studiate: pentru polarizaţia electronică f0e = 1014 … 1015Hz -

în domeniul vizibil - ultraviolet; pentru polarizaţia ionică

f0i = 1013 … 1014Hz - în infraroşu; pentru polarizaţia de orientare

f0o 108Hz - în gama frecvenţelor radio şi pentru polarizaţia de

neomogenitate f0n 103Hz - în gama frecvenţelor industriale. Dacă

a b

Fig. 2.18 Variaţia r, r

şi tgh în funcţie de pulsaţie pentru: a - polarizaţia electronică

şi ionică; b - polarizaţia de orientare şi neomogenitate


69

frecvenţa este mai mare decât cea de rezonanţă a unuia din cele patru

tipuri de polarizaţie, corpul nu mai prezintă acel tip de polarizaţie

(explicaţia este dată pentru polarizaţia ionică). Pentru f 1015Hz, corpul

nu mai prezintă nici o polarizaţie. Graficul de variaţie r, r

=f(f) pentru

un corp care prezintă toate cele patru tipuri de polarizaţie este redat în

figura 2.19.

2.2.3.7. Pierderi în dielectrici

La introducerea unui dielectric într-un câmp electric staţionar, în

acesta apar pierderi prin efect Joule - Lenz (dezvoltări de căldură)

deoarece conductivitatea materialului este nenulă. În câmpurile electrice

variabile în timp, alături de aceste pierderi prin conducţie apar şi pierderi

datorită faptului că polarizaţia electrică nu variază în fază cu intensitatea

câmpului electric (§ 2.2.3.6) – numite pierderi prin histerezis dielectric

sau prin polarizaţie electrică. Aceste pierderi datorate post-efectului

electric (vâscozităţii electrice) apar atât în dielectricii liniari dar şi în cei

neliniari (feroelectrici) care prezintă un histerezis dielectric propriu-zis,

pierderile în aceştia fiind proporţionale cu aria ciclului lor de histerezis.

Fig. 2.19. Variaţia r, r

= f (f) pentru un corp care posedă toate tipurile de

polarizaţie temporară


70

1. Pierderi prin histerezis dielectric. Într-un dielectric liniar situat

în câmp electric variabil în timp, datorită vâscozităţii electrice,

polarizaţia, deci şi inducţia electrică, rămâne în urma câmpului aplicat cu

un unghi h numit unghi de pierderi prin histerezis, deci:

( ) ( ) )sin(sin hMM tDtDtEtE −== (2.50)

Relaţiile (2.50) reprezintă ecuaţiile parametrice ale elipsei

reprezentate în figura 2.20; aria ei Ah fiind proporţională cu pierderile

prin histerezis. Reprezentând în complex E(t) şi D(t):

( )

M

ef

M

h ef h h

EE E

2

DD exp j D cos j sin

2

= =

= − = −

(2.51)

se poate defini permitivitatea relativă complexă cu relaţia:

)sin(cos1

00

hh

M

Mr j

E

D

E

D

−== (2.52)

Notând cu M

MM

E

D= şi comparând (2.52) cu (2.2) rezultă:

hM

r

cos

'

0

= hM

r

sin

"

0

= h r r

tg / = (2.53)

La o variaţie infinitezimală a

câmpului electric apare o variaţie a

energiei electrice din unitatea de volum a

dielectricului: dWe=E dD, a cărei variaţie

în timp este:

( )p tdW

dtE

dD

dtEJ

e

D= = = (2.54)

unde D

dDJ

dt= este densitatea curentului

electric de deplasare. Puterea aparentă

complexă pe unitatea de volum se

defineşte cu relaţia:

s E J p jqh D h h= = + (2.55)

unde partea reală ph reprezintă pierderile

din unitatea de timp şi de volum a dielectricului, prin post-efect electric

Fig.2.20 Variaţia D = f(E) pentru

un dielectric liniar


71

iar qh este viteza maximă de variaţie a energiei câmpului electric din

unitatea de volum.

Cu DjJ D = , avem: 2'

0

2"

0

*"'

0

* ])([)( efrefrrrh EjEEjjEDjEs −=−== , (2.56)

de unde:

ph=2"

0 efr E ; qh = - 2'

0 efr E (2.57)

Din expresia lui ph rezultă că r este un coeficient ce indică

pierderile. Factorul de pierderi prin histerezis dielectric tg h se poate

defini şi cu relaţia: "

h r

h '

h r

ptg

q

= = (2.58)

deci se regăseşte expresia din relaţiile (2.53).

2. Pierderile prin conducţie electrică din unitatea de volum şi de

timp rezultă din legea transformării energiei şi din legea conducţiei

electrice (pentru medii fără câmpuri electrice imprimate) care în complex

conduc la relaţiile: 2**

efccc EEEJEjqps ===+= (2.59)

de unde:

pc=2

efE , qc =0 (2.60)

Relaţiile (2.60) arată că fenomenului de conducţie electrică îi corespund

numai pierderi de putere activă (dezvoltări de căldură) în dielectric.

3. Pierderile totale din dielectric se obţin însumând cele două

categorii de pierderi: " 2

h c 0 r efp p p ( )E = + = + - ' 2

h c 0 r efq q q E = + = (2.61)

Definind factorul de pierderi al dielectricului, avem:

h h'

0 r

ptg tg tg tg

q

= = + = + , (2.62)

unde '

0 r

tg

= nu este un factor de pierderi propriu-zis ci o notaţie

convenţională. Din relaţiile (2.64) şi (2.63) se obţine:

p= tgEtgq efr

2'

0= (2.63)


72

Calculând pierderile dielectrice din volumul dielectricului care

umple tot spaţiul dintre armăturile unui condensator plan de arie S şi

distanţă între armături d, rezultă: ' 2 2

0 r efP pSd ( S / d )( E d )tg = = (2.64)

care ne arată că pierderile dielectrice sunt proporţionale cu tg.

Puterea reactivă absorbită de condensator, este: ' 2 2 ' 2

0 r ef 0 rQ qSd ( S / d )( E d ) ( S / d )U = = = − (2.65)

Din compararea relaţiei (2.65) cu cea cunoscută pentru

condensatorul de capacitate C: Q = - CU2, rezultă: C = 0 r S/d,

care conduce la rezultatul (menţionat anterior) că r este permitivitatea

relativă (scalară) a dielectricului.

În figura 2.21,a s-a reprezentat variaţia factorului de pierderi cu

pulsaţia (curba tg = f()) pentru un material cu un singur tip de

polarizaţie iar în figura 2.21,b se arată variaţia acestuia cu temperatura

(curba tg = f (T)) pentru două frecvenţe diferite.

Maximul factorului de pierderi se datorează pierderilor prin

polarizaţie şi se deplasează spre temperaturi mai mari la creşterea

frecvenţei, iar porţiunea mn a curbei corespunde creşterii exponenţiale a

conductivităţii electrice cu temperatura.

Se observă că, în materialele polare şi în cele neomogene,

pierderile pot avea valori importante la frecvenţele industriale şi, mai

ales, radio. În aceste domenii de frecvenţă se va evita deci utilizarea unor

astfel de materiale.

a b

Fig. 2.21 Variaţia coeficientului de pierderi cu: a - pulsaţia; b - temperatura şi

frecvenţa.


73

2.3.4 Polarizaţia permanentă

Aşa cum s-a arătat în § 2.3.1 polarizaţia permanentă poate fi

spontană (piroelectrică) sau piezoelectrică. Ea se caracterizează prin

faptul că este prezentă şi în lipsa câmpului electric, deci nu este

dependentă de el.

2.3.4.1 Polarizaţia spontană

Polarizaţia spontană reprezintă ordonarea dielectrică care apare pe

domenii de temperatură în structuri fără centru de simetrie, dar cu axă

polară, în absenţa câmpului electric exterior, din condiţiile de minimizare

a energiei libere a structurii.

Dintre dielectricii cu polarizaţie spontană interesează numai

cristalele feroelectrice (cristale dielectrice la care polarizaţia spontană

poate fi schimbată ca direcţie sau sens prin acţiunea unui câmp electric

exterior) care au utilizări practice.

Feroelectricii au următoarele proprietăţi specifice:

- dependenţa D = f(E) este neliniară, de tip histerezis –

asemănătoare dependenţei B = f(H) din cazul materialelor feromagnetice

(care a şi dat denumirea acestor materiale);

- permitivitatea relativă are valori foarte mari (sute, mii) şi este

dependentă de câmpul electric aplicat (au caracter neliniar);

- există o stare de saturaţie electrică (oricât ar creşte câmpul

electric aplicat, polarizaţia nu mai creşte);

- există o stare de remanenţă (la încetarea acţiunii câmpului

electric starea de polarizare se păstrează);

- proprietăţile sunt sensibile la variaţii de temperatură (polarizaţia

scade cu creşterea temperaturii);

- există o temperatură – numită Curie, TC - pentru care starea de

feroelectricitate dispare.

Proprietăţile lor sunt direct legate de existenţa polarizaţiei

spontane şi se explică cu ajutorul teoriei domeniilor Weiss electrice.

Aceste domenii elementare de dimensiuni foarte mici (10-4 … 10-2 mm)

sunt caracterizate prin faptul că în interiorul lor momentele electrice ale

unităţilor structurale sunt ordonate omoparalel. De la un domeniu la altul

orientarea momentelor electrice diferă, astfel că în lipsa câmpului electric


74

suma vectorială a momentelor electrice ale domeniilor este egală cu zero,

0=P - dielectricul este (aparent) nepolarizat – figura 2.21,a.

La aplicarea unui câmp electric (fig.2.21,b) volumul domeniilor

care au orientarea mai apropiată de direcţia câmpului aplicat creşte în

detrimentul celor care au orientarea mai depărtată de cea a câmpului,

astfel că, pe ansamblu, 0P .

Pe baza conceptului

de domeniu, apariţia

histerezisului se poate

explica uşor: se consideră un

cristal care iniţial (pentru

0=E ) a avut polarizaţia

egală cu zero, 0=P . La

aplicarea unui câmp electric

exterior, cresc domeniile cu

orientarea apropiată de cea a

câmpului aplicat (porţiunea

OA a curbei de primă

polarizare – curba OABC din

figura 2.22,a).

Când toate domeniile sunt

orientate în direcţia câmpului

exterior, polarizarea ajunge

la saturaţie (porţiunea BC).

La micşorarea câmpului electric aplicat polarizarea descreşte, iar

la câmp nul persistă o polarizare remanentă Pr; pentru anularea

a b

Fig. 2.21 Structura de domenii a unui feroelectric: a - în absenţa câmpului electric; b -

în prezenţa câmpului electric

Fig. 2.22 Caracteristici ale feroelectricilor:

a – curba de primă polarizare, b - r st =f(E).


75

polarizaţiei remanente trebuie stabilit câmpul electric coercitiv Ec , de

sens opus celui iniţial.

În câmp alternativ, dependenţa de tip histerezis, D = f(E),

condiţionează o dependenţă de acelaşi fel a permitivităţii diferenţiale în

funcţie de intensitatea câmpului electric E (fig. 2.23):

rdif

T ct0

1 D

E

=

=

(2.66)

Datorită acestei dependenţe,

la feroelectrici, se lucrează, de

obicei, cu permitivitatea reversibilă

definită în punctul de funcţionare

(de coordonate E0, D0) pe un ciclu

reversibil:

00 ,00

lim

DDEEE

rrevE

D

==→

=

(2.67)

În origine, permitivitatea

definită cu relaţia (2.67) poartă

denumirea de permitivitate relativă

iniţială:

rin iE 0

0 E 0 ,D 0

Dlim 1 tg

E

→

= =

= = +

, (2.68)

unde i este panta în origine a

curbei de primă polarizare – figura

2.22,a.

Permitivitatea relativă statică, definită în punctul de funcţionare

cu relaţia:

0

0

0

1

E

Drst

= , (2.69)

are dependenţa de câmpul electric ilustrată în figura 2.22,b.

Polarizaţia spontană (neindusă din exterior) a domeniilor

feroelectrice se pierde dacă temperatura depăşeşte temperatura Curie

(T > Tc) pentru că se distruge structura de domenii şi materialul se

comportă ca un material paraelectric obişnuit (cu polarizaţie temporară de

orientare).

Fig.2.23 Ciclul de histerezis şi

rdif = f(E) la feroelectrici


76

Permitivitatea are valori foarte mari la temperatura Curie, de

ordinul 104…105 şi scade cu temperatura după legea Curie-Weiss, pentru

T > TC:

.r

C

const

T T =

− (2.70)

Cristalele feroelectrice cu utilizări practice, pot fi clasificate în

două grupe:

- feroelectrici oxidici, care sunt oxizi dubli ai unor elemente, în

special din grupa de tranziţie, cu cristalizare în structuri de tip perovskit,

piroclor, ilmenit etc;

- feroelectrici cu legătură de hidrogen.

1. Feroelectricii oxidici au valori mari ale permitivităţii relative

ceea ce îi recomandă ca dielectrici în condensatoare. Cel mai cunoscut

este titanatul de bariu (BaTiO3), care nu este recomandat a fi utilizat în

stare pură deoarece r depinde puternic de temperatură (aproximativ 1400

la 20 0C şi 10000 ... 12000 în jurul temperaturii Curie, TC = 120 0C –

fig. 2.24), iar tangenta unghiului de pierderi este relativ ridicată.

Utilizări practice

au soluţiile solide între

titanatul de bariu şi alte

materiale fero- sau

neferoelectrice, realizate

cu scopul de a se obţine

fie valori mari ale

permitivităţii relative la

temperatura ambiantă

(prin deplasarea

temperaturii Curie spre 20 0C), fie factor de pierderi

scăzut corelat cu valori

ridicate ale permitivităţii

sau obţinerea unui

coeficient de temperatură

al permitivităţii (t) cât

mai mic, deci o curbă de

variaţie a permitivităţii cu temperatura, r = f(T) plată.

Cele mai utilizate soluţii solide sunt următoarele:

Fig. 2.24 Variaţia permitivităţii şi a factorului de

pierderi cu temperatura la BaTiO3.


77

- (Ba1-xSrx)TiO3 şi Ba(Ti1-xSnx)O3 - soluţii binare feroelectric +

neferoelectric (SrTiO3, BaSnO3) la care temperatura Curie este deplasată

spre 25 0C. Permitivitatea relativă are valori în jur de 2000 şi tangenta

unghiului de pierderi este de aproximativ 10-3. Dacă se doresc valori mai

mari ale permitivităţii fie coeficientul de temperatură al acesteia este

foarte mare (la (Ba1-xSrx)TiO3) fie pierderile dielectrice sunt foarte mari

(la Ba(Ti1-x Snx)O3):

- (1-x) BaTiO3 + x CaZrO3 este o soluţie solidă de tipul celor de

mai sus la care TC scade, dar dependenţa ei de x nu mai este liniară. La

creşterea lui x, r la temperatura Curie scade şi (t) se micşorează;

- soluţiile ternare de BaTiO3 + SrTiO3 + CaZrO3 au r de valori

mari şi (t) acceptabil;

- soluţiile BaTiO3 + CaZrO3+oxizi metalici prezintă curbe foarte

plate de variaţie a permitivităţii cu temperatura. Se pot obţine, în

domeniul de temperatură –55…+85 0C, următoarele variante:

r =3000; ( )%10%;20

'

'

+−

;

r =2300; ( )%10%;10'

'

+−

;

r =1800; ( )%5,7%;5,7'

'

+−

.

Pe lângă utilizarea lor ca dielectric pentru condensatoare,

feroelectricii oxidici au proprietăţi electrooptice puternice ceea ce îi

recomandă şi pentru utilizarea în dispozitivele electrooptice.

2. Feroelectricii cu legătură de hidrogen au compoziţii

complicate şi, de obicei, temperaturi Curie joase.

Din această categorie fac parte, ca materiale reprezentative,

dihidrofosfatul de potasiu (KDP) cu temperatura Curie – 151 0C şi

sulfatul de triglicină (TGS) cu temperatura Curie 49 0C. Principalele

utilizări ale feroelectricilor cu legătură de hidrogen sunt în dispozitivele

electrooptice şi în traductoarele piroelectrice. De asemenea, atât ei cât şi

cei oxidici, sunt utilizaţi pentru îndeplinirea de funcţii neliniare şi

paramatrice (amplificatoare, stabilizatoare sau modulatoare dielectrice).


78

2.3.4.2 Polarizaţia piezoelectrică

Polarizaţia piezoelectrică apare în structurile fără centru de

simetrie sub acţiunea tensiunilor mecanice aplicate structurii.

Piezoelectricitatea este proprietatea de modificare a stării de

polarizaţie sub acţiunea unor tensiuni mecanice (efect piezoelectric

direct) sau de modificare a dimensiunilor corpului sub acţiunea câmpului

electric exterior (efect piezoelectric invers).

În cazul efectului piezoelectric direct polarizaţia indusă P este

dependentă de tensiunea mecanică T şi o modificare a caracterului

solicitării (de exemplu de la tracţiune la compresiune) atrage după sine o

modificare a semnului polarizaţiei.

În cazul efectului piezoelectric invers deformarea relativă a

dielectricului depinde de amplitudinea polarizaţiei şi de sensul câmpului

electric aplicat. Electrostricţiunea apare în orice dielectric introdus în

câmp electric, fiind asemănătoare cu efectul piezoelectric invers dar

deosebindu-se de acesta prin faptul că este un efect par (o inversare a

sensului câmpului aplicat nu modifică semnul deformaţiei).

În cazul în care există atât câmp electric cât şi solicitare mecanică,

polarizaţia totală va fi suma dintre polarizaţia indusă de tensiunea

mecanică (polarizaţia piezoelectrică) şi cea indusă de câmpul electric

(polarizaţia temporară).

Polarizaţia piezoelectrică se poate exemplifica uşor pe cel mai

simplu model de reţea fără centru de simetrie al sarcinilor electrice

punctuale: stratul electric dublu (fig. 2.25).

Fig. 2.25 Efectul piezoelectric în cazul stratului electric dublu: a - direct; b - invers.

F

F

F

F


79

În cazul unei reţele cu centru de simetrie, de exemplu stratul

electric triplu, se pune în evidenţă imposibilitatea efectului piezoelectric

direct şi electrostricţiunea (fig. 2.26).

Pentru stabilirea relaţiilor dintre proprietăţile electrice şi cele

elastice ale unui cristal piezoelectric (cristal în care este posibilă apariţia

efectului piezoelectric) se consideră că starea acestuia este caracterizată la

un moment dat, la temperatură constantă, de următoarele mărimi de stare:

- de natură electrică: intensitatea câmpului electric E şi inducţia

electrică D ;

- de natură mecanică: tensiunea mecanică T şi deformaţia

mecanică S .

Intensitatea câmpului electric şi inducţia electrică sunt vectori

care într-un sistem cartezian de axe de coordonate pot fi reprezentate

matriceal:

=

3

2

1

E

E

E

E ;

=

3

2

1

D

D

D

D (2.71)

Tensiunea şi deformaţia mecanică sunt tensori de ordinul 2 în

spaţiul tridimensional, având într-un sistem cartezian de coordonate

următoarele reprezentări matriceale:

Fig. 2.26 Reţea cu centru de simetrie: a - imposibilitatea efectului piezoelectric direct;

b - electrostricţiunea

F

F

F

F


80

=

333231

232221

131211

TTT

TTT

TTT

T ;

=

333231

232221

131211

SSS

SSS

SSS

S (2.72)

Pentru deformaţii omogene, specifice deformării cristalelor în

limitele de elasticitate, tensorii [T ] şi [ S ] sunt simetrici

(Tij = Tji, Sij = Sji), numărul componentelor independente fiind numai

şase. În aceste condiţii, tensorii respectivi pot fi reprezentaţi într-o formă

prescurtată – sub forma unor matrice coloană [6].

Relaţiile dintre mărimile de stare electrice şi cele mecanice pot fi

scrise, la temperatură constantă, alegând două dintre mărimi ca variabile

independente (de exemplu T şi E ). Pentru celelalte două mărimi de

stare ( S şi D ), considerate dependente de primele, pot fi scrise

diferenţialele totale, cu luarea în considerare numai a derivatelor de

ordinul întâi:

dSS

TdT

S

EdE

dDD

TdT

D

EdE

i

i

k E

k

i

k T

k

i

i

k E

k

i

k T

k

=

+

=

+

(2.73)

Derivatele parţiale ce intervin în relaţiile (2.73) sunt parametri de

material. Există, evident, încă trei posibilităţi de alegere a variabilelor

independente, rezultând încă trei sisteme de ecuaţii piezoelectrice

echivalente celui de mai sus. Aceste sisteme, scrise în complex

simplificat (când mărimile de stare variază armonic în timp) sunt:

+=

+=

ETdD

EdTsS

T

t

E

(2.74)

T c S e E

D e S E

E

t

S

= −

= +

(2.75)

S s T g D

E g T D

D

t

T

= +

= − +

(2.76)


81

T c S h D

E h S D

D

t

S

= −

= − +

(2.77)

Coeficienţii care intervin în cele patru sisteme de ecuaţii se

definesc astfel:

- coeficienţii de elasticitate la câmp electric constant

E iik

k E

Ss

T

=

sau la inducţie constantă ;

Dk

iD

ikT

Ss

=

- modulele de elasticitate la câmp electric constant

Ek

iE

ikS

Tc

= sau la inducţie constantă ;

Dk

iD

ikS

Tc

=

- permitivitatea dielectrică la tensiune mecanică constantă

Tk

iT

ikE

D

= sau la deformaţie constantă

Sk

iS

ikE

D

= ;

- impermitivitatea dielectrică la tensiune mecanică constantă

Tk

iT

ikD

E

= sau la deformaţie constantă

Sk

iS

ikD

E

= ;

- coeficienţii piezoelectrici:

Ti

k

Ek

i

ikE

S

T

Dd

=

= ;

Si

k

Ek

i

ikE

T

S

De

−=

= ;

Si

k

Dk

i

ikD

T

S

Eh

−=

−= ;

Ti

k

Dk

i

ikD

S

T

Eg

=

−=

În relaţiile (2.74) … (2.77) indicele inferior “t” reprezintă

matricea transpusă.

Între coeficienţii de material prezentaţi anterior există legături,

trei matrice fiind suficiente pentru a caracteriza un cristal piezoelectric: o

matrice de coeficienţi de elasticitate [ s ] sau [ c ], o matrice de

permitivităţi [ ] sau [ ] şi o matrice de coeficienţi piezoelectrici [ d ],

[ e ], [ g ] sau [ h ]. Pentru caracterizarea comportării unui cristal

piezoelectric se defineşte şi coeficientul de cuplaj piezoelectric k,

reprezentând raportul dintre densitatea de energie mutuală elastică şi


82

dielectrică Wm, şi rădăcina pătrată a produsului dintre densitatea de

energie dielectrică Wd şi densitatea de energie elastică We din cristal:

k =

ed

m

WW

W (2.78)

Se poate arăta [6] că pătratul coeficientului de cuplaj indică ce

parte din densitatea de energie dielectrică se transformă în energie

elastică într-un cristal piezoelectric blocat, respectiv ce parte din

densitatea de energie elastică se transformă în energie dielectrică într-un

cristal cu armăturile scurtcircuitate. Valorile coeficienţilor de cuplaj sunt

subunitare pentru toate cristalele piezoelectrice şi nule pentru toate

cristalele nepiezoelectrice.

Materialele piezoelectrice pot fi atât fero- cât şi neferoelectrice.

Toţi feroelectricii sunt în acelaşi timp şi piezoelectrici şi pot fi împărţiţi

în două grupe:

- feroelectrici care prezintă efectul piezoelectric la orice

temperatură (atât pentru temperaturi mai mari, cât şi pentru temperaturi

mai mici decât temperatura Curie);

- feroelectrici care prezintă efectul piezoelectric numai pentru

temperaturi sub temperatura Curie.

Cristalele piezoelectrice care fac parte din prima grupă (sarea

Seignette, KDP) deşi au unele proprietăţi piezoelectrice remarcabile

(sarea Seignette are la temperatura Curie coeficientul de cuplaj

piezoelectric cel mai mare, k = 0,9) nu au în prezent utilizări practice

datorită altor proprietăţi fizico-chimice nesatisfăcătoare (sarea Seignette

este higroscopică).

Din grupa a doua fac parte titanatul de bariu, titanat - zirconatul

de plumb, niobatul de sodiu şi potasiu, sulfatul de triglicină TGS etc.

Titanatul de bariu este o ceramică piezoelectrică cu coeficienţii

piezoelectrici elastici şi dielectrici puternic dependenţi de temperatură şi

cu o puternică variaţie în timp a proprietăţilor de material (îmbătrânire).

Aceste dezavantaje îl fac mai puţin utilizabil, în special în dispozitivele

electronice de performanţă, fiind înlocuit de titanat-zirconatul de plumb,

PZT. Deoarece temperaturile Curie ale PZT-ului sunt relativ ridicate

(200 … 400 0C) se obţine o mai bună stabilitate în variaţiile cu

temperatura ale proprietăţilor de material şi o variaţie mai redusă a

acestor proprietăţi în timp. Coeficienţii piezoelectrici depind de

compoziţiile acestor ceramici şi au valori medii.


83

Niobatul de sodiu şi potasiu posedă, în fază ceramică, proprietăţi

piezoelectrice puternice, mai puţin dependente de compoziţie decât la

PZT şi cu o stabilitate bună a acestora în timp şi la variaţiile de

temperatură. Coeficienţii de cuplaj şi cei piezoelectrici sunt mai mici

decât la PZT.

Ceramicele piezoelectrice menţionate sunt folosite în realizarea

unor dispozitive piezoelectrice cu undă elastică de volum: rezonatoare,

filtre ceramice, transformatoare ceramice, traductoare mecanic – electric

(microfoane, generatoare de înaltă tensiune, traductoare de deplasare, de

viteză sau acceleraţie etc) precum şi traductoare electric-mecanic

(generatoare ultrasonore în locaţia submarină, traductoare pentru curăţire

cu ultrasunete etc). Dintre materialele neferoelectrice cel mai utilizat este

cuarţul care este ieftin, cu elasticitate ridicată, stabilitate termică bună,

pierderi interne mici şi se găseşte în natură în fază cristalină (monocristal

până la zeci de kilograme). Are dezavantajul că prezintă un coeficient de

cuplaj piezoelectric mic (~ 0,095) comparativ cu alte cristale. În

construcţia dispozitivelor cu undă elastică de suprafaţă (u.e.s.), în afară

de PZT se mai utilizează: niobatul de litiu monocristalin care are cel mai

mare coeficient de cuplaj piezoelectric, germaniatul de bismut cu viteza

de propagare a undelor cea mai mică şi cuarţul cu o valoare foarte redusă

a coeficientului de temperatură al vitezei de propagare. Dintre

dispozitivele cu u.e.s. se amintesc: linii de întârziere, codoare şi

decodoare pentru semnale modulate în fază etc.

2.3.5 Electreţii

Electreţii sunt materiale dielectrice care prezintă polarizaţie

remanentă de lungă durată (fiind analogi magneţilor permanenţi) şi

produc câmp electrostatic în spaţiul din jurul lor în lipsa surselor

exterioare de câmp electric.

În funcţie de procedeul de obţinere, electreţii se clasifică în:

- termoelectreţi (obţinuţi prin acţiunea simultană a temperaturii şi

a câmpului electric);

- fotoelectreţi (obţinuţi prin acţiunea simultană a fluxului luminos

şi a câmpului electric);

- pseudoelectreţi denumiţi şi radioelectreţi (obţinuţi sub acţiunea

radiaţiilor radioactive);


84

- triboelectreţi (obţinuţi prin frecare).

Termoelectreţii se obţin prin plasarea materialului într-un câmp

electric (între armăturile unui condensator alimentat cu o tensiune

continuă) şi încălzirea sa simultană până în apropierea temperaturii de

topire. La această temperatură, mobilitatea purtătorilor de sarcină din

material este mare şi câmpul electric îi deplasează sau orientează aproape

integral pe direcţia sa. Prin răcire, în prezenţa câmpului, sarcinile

deplasate sau dipolii orientaţi “îngheaţă” în aceste poziţii deoarece

mobilitatea lor este mult mai mică la temperatura normală. Astfel, apar

sarcini electrice pe suprafeţele electretului care creează polarizaţia

remanentă care se menţine un timp îndelungat după anularea câmpului.

În câmpuri electrice slabe, sarcinile de pe feţele electretului - de

semn opus polarităţii electrozilor lângă care se află - se numesc

eterosarcini (fig. 2.27,a) şi apar prin orientarea propriilor dipoli sau

deplasarea sarcinilor libere proprii (procese specifice întregului volum) şi

“îngheţarea” lor ulterioară.

În câmpuri electrice mai puternice, pe feţele electretului pot

apărea şi sarcini electrice de acelaşi semn cu câmpul aplicat (omosarcini -

fig.2.27,b). Omosarcina este o sarcină din afara materialului, trecută din

electrozi în dielectric prin străpungeri locale ale aerului din interstiţiul

electrozi - electret la valorile mari ale intensităţii câmpului electric la care

se formează electretul. În mod evident, omosarcina este însoţită de

eterosarcină, semnul sarcinii superficiale fiind dat de cea care are

valoarea absolută mai mare.

Sarcinile de pe suprafaţa dielectricului dispar după un timp, numit

durată de viaţă a electretului, care variază foarte mult atât în funcţie de

caracteristicile de material (rezistivitate, durată de relaxare) cât şi de

modul de formare, condiţiile atmosferice (temperatură, umiditate,

iradiere) şi de caracteristicile circuitului în care funcţionează electretul.

a b

Fig.2.27 Sarcinile termoelectreţilor: a - eterosarcini; b - omosarcini


85

Pentru electreţii formaţi în câmpuri slabe (E 0,5 MV/m) omosarcina

practic nu apare şi eterosarcina scade în timp prin relaxarea sarcinilor

proprii (fig. 2.28,a).

În câmpuri puternice (E 100 MV/m) predomină omosarcina.

Sarcina totală (omosarcina pozitivă plus eterosarcina negativă) va creşte

uşor la început - figura 2.28,b - datorită scăderii eterosarcinii prin

relaxare, după care omosarcina scade în timp prin procesul de conducţie

în dielectric (cu cât durata de relaxare şi rezistivitatea materialului sunt

mai mari cu atât durata de viaţă a dielectricului este mai mare). Pentru

câmpuri intermediare (0,5 E 100 MV/m) la început predomină

eterosarcina care scade în timp, după care scade şi omosarcina. La prima

anulare a sarcinii totale eterosarcina şi omosarcina sunt egale (fig.

2.28,c).

Materialele dielectrice din care se fabrică termoelectreţii sunt:

cerezina, polimetilmetacrilatul (PMMA), polietilentereftalat (PET),

titanat de calciu (CaTiO3), titanat de bariu (BaTiO3) etc. Termoelectreţii

au o durată de viaţă de 1 - 2 ani şi sunt utilizaţi pentru construcţia

microfoanelor cu electret, traductoarelor de vibraţii şi a generatoarelor de

câmp electrostatic în electrometre şi doximetre.

Fotoelectreţii se obţin prin iluminare şi plasare în câmp electric a

dielectricului. Dacă energia cuantelor de lumină este suficientă pentru a

transfera electronii din banda de valenţă în cea de conducţie, atunci

electronii transferaţi se pot deplasa limitat (din poziţia 2 în 3, fig. 2.29),

a b c Fig. 2.28 Variaţia în timp a sarcinii termoelectreţilor formaţi în câmpuri electrice:

a - slabe; b - puternice; c - medii.


86

sub acţiunea câmpului electric aplicat simultan cu iluminarea, de unde

pot fi captaţi pe niveluri locale (3→4) introduse de impurităţi sau de

defecte de reţea. La anularea fluxului luminos şi a câmpului electric

sarcinile fixate creează polarizaţia remanentă a electretului, polarizaţie

care, la întuneric, se menţine un timp îndelungat. În timp, datorită

agitaţiei termice electronii pot reveni din 4 în 3 şi apoi se deplasează spre

poziţiile de echilibru sub acţiunea câmpului intern. Iluminarea distruge

instantaneu polarizaţia remanentă, favorizând trecerea electronilor de pe

nivelul local în banda de conducţie. Fotoelectreţii se fabrică din materiale

fotoconductoare (de exemplu sulfură de zinc ZnS) şi se folosesc pentru

înregistrarea imaginilor (este principiul xerografiei).

Radioelectreţii (pseudoelectreţii) se obţin prin iradierea cu raze

a suprafeţei materialului plasat pe un electrod metalic pus la pământ (fig.

2.30). Electronii care formează radiaţiile pătrund în material şi sunt

captaţi pe nivele locale (generate de defectele de reţea) în funcţie de

energia electronilor şi de structura dielectricului. Câmpul electric al

sarcinii negative fixate pe suprafaţa de sus a dielectricului va atrage

sarcinile pozitive din electrodul metalic care se vor fixa pe suprafaţa de

jos a electretului. Pentru fabricarea radioelectreţilor se poate utiliza sticlă

silicat cu conţinut mare de bor, iradiată cu un fascicol de electroni cu

energia de 2 MeV.

Fig. 2.29. Formarea fotoelectreţilor Fig. 2.30. Formarea radioelectreţilor

Triboelectreţii se produc prin frecare; după frecare suprafaţa

rămânând încărcată cu sarcină electrică. Sunt utilizaţi în construcţia

generatoarelor electrostatice de înaltă tensiune.

Radiaţii


87

2.3.6 Cristale lichide

Cristalele lichide sunt materiale organice care posedă simultan

proprietăţi ale lichidului izotrop (fluiditate, curgere, unirea picăturilor în

contact) şi proprietăţi ale cristalelor solide - ordine la distanţă a

particulelor constituente - ceea ce condiţionează anizotropia principalelor

proprietăţi fizice: conductivitatea electrică şi termică, polarizaţia,

magnetizaţia, proprietăţile optice şi cele elastice. Cristalele lichide sunt

formate din macromolecule alungite, alcătuite din două nuclee sau inele

benzenice legate printr-o grupare intermediară rigidă, la capete având

legate alte două grupări flexibile. Forma moleculelor este de elipsoid de

rotaţie alungit cu moment electric permanent destul de puternic şi cu

grupuri uşor polarizabile. Momentele electrice interacţionează între ele şi

determină o ordine spontană la distanţă, ca în cazul solidelor cristaline.

Starea de cristal lichid se manifestă într-un domeniu de

temperatură delimitat de două temperaturi de tranziţie (T1 T T2):

temperatura de topire T1 care este temperatura maximă la care cristalul

este încă solid şi temperatura de limpezire T2 care este temperatura

minimă la care el devine lichid izotrop. În starea de cristal lichid

moleculele lungi se ordonează în diverse moduri. În funcţie de ordonare

există structuri nematice, smectice sau colesterice (fig. 2.31).

Fig. 2.31 Modelul ordonării moleculare: a - lichid izotrop; b - cristal lichid nematic;

c - cristal lichid smectic; d - cristal lichid colesteric


88

În structura nematică (fig. 2.31,b) există o ordonare paralelă a

axelor lungi ale moleculelor, centrele de greutate fiind distribuite

aleatoriu. Fiecare moleculă se poate deplasa în toate cele trei direcţii ale

spaţiului şi se poate roti în jurul axei proprii. În cristalele lichide smectice

(fig. 2.31,c) moleculele se dispun în straturi în care se ordonează paralel

una faţă de alta. Ele se pot deplasa în două direcţii în plan, se pot roti în

jurul axei proprii, dar nu pot trece dintr-un strat în altul. În cristalele

lichide colesterice (fig. 2.31,d) moleculele se dispun în straturi paralele

între ele, direcţia de orientare a moleculelor modificându-se elicoidal de

la un strat la altul. Moleculele se pot mişca în plan, se pot roti în jurul

axei proprii dar pot şi trece dintr-un plan în altul, cu modificarea direcţiei.

Utilizări tehnice prezintă numai cristalele lichide nematice.

Proprietăţi dielectrice şi electrooptice ale cristalelor lichide

nematice (CLN). Moleculele cristalelor lichide nematice au moment

electric propriu, dar datorită faptului că structurile moleculare au centru

de simetrie, momentul electric al unităţii de volum este egal cu zero. Deci

CLN posedă numai polarizaţie temporară care se manifestă anizotrop.

Într-un sistem principal de coordonate, în care axa Oz coincide cu axa de

simetrie a structurii (fig. 2.32) matricea permitivităţii complexe relative

are forma:

r

r r

r

0 0

0 0

0 0

⊥

⊥

=

(2.79)

unde s-a notat cu r permitivitatea

complexă relativă în lungul axei de

simetrie şi cu r

⊥

aceeaşi mărime în

planul perpendicular pe această axă.

După semnul diferenţei părţilor

reale ale celor două permitivităţi cristalele

lichide se clasifică în:

- CLN cu anizotropie dielectrică pozitivă (ADP) la care

r r r ⊥ = − este pozitiv;

- CLN cu anizotropie dielectrică negativă (ADN) la care

r r r ⊥ = − este negativ.

Fig. 2.32 Structură de cristal

lichid nematic


89

Se poate arăta [6] că în prezenţa unui câmp electric de intensitate

E , aplicat ca în figura 2.32 potenţialul termodinamic al sistemului de

molecule F depinde de anizotropia prezentată de cristal:

( ) F F F E u rr

= + −

0

0 2

2

(2.80)

unde F0 este potenţialul termodinamic în starea de echilibru, F -

creşterea potenţialului termodinamic datorită agitaţiei termice şi ultimul

termen este datorat câmpului electric aplicat.

Pentru minimizarea expresiei (2.80) moleculele cristalelor cu

ADP (r 0) au tendinţa să se orienteze paralel cu câmpul electric

(produsul scalar ( ) E u r să fie maxim, ultimul termen din relaţie fiind

pozitiv) iar moleculele cristalelor cu ADN (r 0) au tendinţa să se

orienteze perpendicular pe câmp ( ( ) E u r , anulându-se). Aceste

tendinţe de ordonare dielectrică în câmp sunt, uneori, contracarate de

existenţa curenţilor de conducţie (îndeosebi în curent continuu sau la

frecvenţe mici) sau de unele condiţii la limită (interacţiuni cu pereţii

dispozitivului în care este introdus cristalul lichid nematic).

Din punct de vedere optic, cristalele lichide nematice au bune

proprietăţi electrooptice. Ele posedă un elipsoid al indicilor de refracţie

de forma elipsoidului de rotaţie. Notând cu n indicele de refracţie în

lungul axei optice (3

n n= ) şi cu n⊥ acelaşi indice în planul perpendicular

(1 2

n n n⊥

= = ) se defineşte birefringenţa CLN cu relaţia: n n n⊥

= − .

Birefringenţa acestor cristale lichide fiind pozitivă şi foarte puternică

determină efecte optice importante în straturi subţiri (micrometri până la

zeci de micrometri).

Câmpul electric de o anumită valoare aplicat unei structuri de

cristal lichid nematic modifică aranjamentul iniţial al acestuia (aşa cum s-

a explicat mai sus), deci modifică poziţia elipsoidului indicelui de

refracţie faţă de direcţia de propagare a fluxului luminos. În acest mod

apare o birefringenţă indusă de câmp care condiţionează efecte

electrooptice specifice. Tensiunea de prag necesară modificării structurii

CLN depinde de proprietăţile dielectrice şi elastice ale acestuia. Pentru un

cristal cu ADP cu directorul ( )u r orientat perpendicular pe câmpul

electric E , expresia tensiunii de prag necesară trecerii la orientarea


90

( )u r E este: 11

0

p

r

kU

=

, iar pentru un cristal cu ADN cu

directorul orientat paralel cu câmpul, tensiunea necesară pentru trecerea

la orientarea ( )u r ⊥ E este: 33

0

p

r

kU

=

, unde k11 şi k33 sunt

constante elastice Franck.

Deci, printr-o comandă electrică se poate trece de la starea de

întuneric la lumină, de unde şi utilizarea CLN în dispozitive de afişaj

alfa-numerice sau analogice.

Familia cristalelor lichide nematice este foarte numeroasă şi

conţine: baze Schiff, azo-benzeni, stilbeni, clorostilbeni etc.

2.4 Conducţia electrică a materialelor electroizolante

Fenomenul de conducţie electrică, prezent în orice material

introdus în câmp electric, este foarte slab în materialele electroizolante.

Deşi, teoretic, izolanţii sunt materiale care sub tensiune continuă nu

conduc curentul electric, practic, orice izolant lasă să treacă un curent de

intensitate scăzută, numit curent de conducţie.

Din punct de vedere microscopic, curentul electric care străbate

un corp consistă în mişcarea ordonată, în raport cu corpul, a unor

purtători de sarcină. Densitatea microscopică a curentului electric, jm se

defineşte ca fiind convecţia acestor purtători, cu ajutorul relaţiei:

j vm m m= (2.81)

în care vm este viteza microscopică, în raport cu un referenţial inerţial

oarecare, a purtătorilor de sarcină, iar m este densitatea de volum a

sarcinii microscopice şi este dată de relaţia m = Nqm, unde qm este

sarcina unui purtător şi N este concentraţia numerică a acestora.

Densitatea macroscopică J a curentului electric se obţine prin

medierea relaţiei (2.81) în care vitezele particulelor libere trebuie

considerate în raport cu corpul:

,m mc m mcJ v Nq v= = (2.82)

unde ~vmc este viteza microscopică locală - în raport cu corpul - mediată.


91

Legea conducţiei electrice - pentru medii omogene, izotrope şi

neaccelerate - stabileşte expresia lui J în funcţie de intensitatea

câmpului electric E şi de conductivitatea (sau de rezistivitatea =

1/) a materialului:

J E E= =

1 (2.83)

Fenomenul de conducţie prezintă caracteristici diferite în

izolatorii solizi, lichizi sau gazoşi, caracteristici ce vor fi prezentate în

continuare.

2.4.1 Conducţia electrică a solidelor electroizolante

În cristalele electroizolante structura benzilor de energie se

caracterizează prin lărgimea foarte mare a benzii interzise Fermi

(wi 3 eV) şi prin faptul că benzile permise sunt fie complet ocupate cu

electroni fie complet libere. În condiţii obişnuite de temperatură şi câmp

electric, pot efectua tranziţia din banda de valenţă în cea de conducţie

foarte puţini electroni (lăţimea benzii interzise fiind foarte mare) şi deci,

curentul electric datorat convecţiei lor este foarte slab.

Dacă cristalul izolant conţine impurităţi care introduc niveluri

adiţionale (acceptoare sau donoare) în banda interzisă Fermi, atunci,

alături de conducţia intrinsecă apare şi o conducţie extrinsecă prin

golurile din banda de valenţă şi electronii din banda de conducţie. Într-un

izolant bun concentraţia impurităţilor fiind extrem de mică şi conducţia

electronică extrinsecă este neînsemnată.

În câmpuri intense, E 105 … 106 V/m conductivitatea electrică

datorată conducţiei electronice creşte foarte repede cu E, tinzând către

infinit în momentul străpungerii materialului (E 108 V/m) – figura 2.33.

Alături de conducţia electronică, în cristalele izolante apare o

conducţie ionică - realizată prin convecţia ionilor proprii (în cristalele

ionice) sau de impuritate - conductivitatea ionică ion fiind constantă în

raport cu E până în apropierea străpungerii.


92

În câmpurile

electrice uzuale

E105 … 106 V/m

conducţia electronică

este foarte slabă şi

predomină conducţia

ionică (fig. 2.33), iar

conductivitatea totală t

nu depinde practic de

intensitatea câmpului

electric, acest domeniu

fiind numit intervalul lui

Ohm. În domeniul al

doilea, numit intervalul

lui Pool, conductivitatea

totală depinde sensibil de câmp. Ultimul domeniu este intervalul de

străpungere.

2.4.1.1 Conducţia ionică a cristalelor electroizolante

Conducţia ionică se poate realiza prin convecţia ionilor

interstiţiali proprii - produşi prin defecte Frenkel, - prin convecţia

“nodurilor” vacante - produse prin defecte Frenkel sau Schottky, - sau

prin convecţia ionilor de impuritate din noduri sau interstiţii. Se

consideră mai întâi conducţia ionică datorată convecţiei ionilor

interstiţiali produşi prin defecte de tip Frenkel (§ 1.2.3).

Conform celor stabilite în § 1.2.4, relaţia (1.22), conductivitatea

ionică are expresia:

= ion F m ionN q M , (2.84)

unde qm este sarcina ionului, NF - numărul de ioni interstiţiali din unitatea

de volum, dat de expresia (1.11):

N NN w kTF dF −exp / 2 , (2.85)

N, N fiind numerele - din unitatea de volum - ale nodurilor, respectiv

interstiţiilor reţelei cristaline, wdF - energia necesară pentru crearea unui

defect Frenkel şi Mion - mobilitatea ionului, a cărei expresie este conform

relaţiei (1.20):

Fig. 2.33 Variaţia conductivităţii electrice a unui cristal

izolant cu intensitatea câmpului electric.


93

Mfa q

kTw kTion

m

b= −

2

6exp / , (2.86)

în care f este frecvenţa de oscilaţie proprie a ionului în interstiţiu, a -

constanta reţelei cristaline şi wb - înălţimea barierei de energie potenţială

pe care trebuie să o escaladeze ionul la trecerea dintr-un interstiţiu în

altul.

Dacă se introduc expresiile (2.85) şi (2.86) în (2.84) se obţine:

= − ion ion ionC w kTexp / , (2.87)

unde s-au folosit notaţiile: = C NN fa q kTion m

2 2 6/ şi

wion = wb + wdF / 2.

Cum conducţia ionică se realizează prin convecţia mai multor

specii de ioni, expresia conductivităţii totale de tip ionic este:

ion r rr

C w kT= − exp / , (2.88)

în care Cr şi wr au semnificaţii analoage cu Cion şi wion, dat fiind faptul

că şi pentru conductivităţile ionice datorate convecţiei altor specii de ioni

se obţin expresii de forma (2.87). Este de subliniat faptul că mărimile Cr

cresc odată cu concentraţiile numerice ale ionilor, deci ale defectelor

reţelei cristaline. Aceste expresii sunt valabile atâta timp cât rămâne

valabilă aproximaţia cu care s-a stabilit expresia mobilităţii - (1.20) - şi

anume: argumentul funcţiilor hiperbolice sh[] şi ch[] este mult mai

mic decât 1 ( =aq E

kT

m

2 « 1) şi se poate considera sh[] şi ch[] 1.

Se constată că până la valori ale câmpului electric de 108 V/m argumentul

funcţiilor hiperbolice rămâne încă mic: 0,2 pentru a = 10-10 m -

ordinul de mărime, rezultat din experienţă al parametrului reţelei

cristaline -, qm = q0 = 1,610-19 C – sarcina ionului luată egală cu cea a

electronului -, E = 108 V/m – intensitatea mpului electric la străpungere,

k = 1,3810-23 J/K – constanta lui Boltzman şi T = 300 K - temperatura

camerei.

2.4.1.2 Conducţia electronică a cristalelor electroizolante

Spre deosebire de conducţia ionică, cea electronică trebuie

studiată separat pentru câmpurile electrice uzuale (intervalul lui Ohm) şi

pentru cele intense (intervalul lui Pool).


94

1. În câmpuri electrice uzuale (E 105 … 106 V/m) conducţia

electronică se realizează,

la fel ca şi în cazul

semiconductorilor, prin

convecţia electronilor

promovaţi în banda de

conducţie din banda de

valenţă sau de pe

nivelurile donoare - care

determină şi niveluri

acceptoare (fig. 2.34) - şi

prin convecţia golurilor

din banda de valenţă.

Conductivitatea

electronică este suma

conductivităţii intrinseci i, a celei extrinseci prin electroni e şi prin

goluri g. Înlocuind i, e şi g cu expresiile stabilite în cadrul fizicii

cuantice, se obţine:

el i e g

i i e e g gC w kT C w kT C w kT

= + + =

= − + − + −exp / exp / exp /2 2 2 (2.89)

în care Ci, Ce, Cg sunt nişte constante ce nu depind practic de temperatură

- la temperaturile uzuale - şi nici de intensitatea câmpului electric, iar wi,

we, wg au semnificaţia din figura 2.34. Cum lăţimea benzii interzise

Fermi este mare (wi 3eV) iar produsul kT, la aceste temperaturi, are

valori mult mai mici (kT 10-1 … 10-2 eV), conductivitatea intrinsecă i

are valori foarte mici (practic este neglijabilă). Constantele Ce şi Cg fiind

proporţionale cu numărul nivelurilor donoare, respectiv acceptoare, deci

cu concentraţia impurităţilor, rezultă că în materialele suficient de pure e

şi g sunt şi ele foarte mici, deci şi conductivitatea totală el este foarte

mică. În intervalul lui Ohm conductivitatea electronică este asigurată de

impurităţile din izolanţi şi nu depinde (practic ) de intensitatea câmpului

electric.

2. În câmpurile electrice intense (105 … 106 E 108 V/m)

conducţia electrică este, în mod esenţial, determinată de electronii din

banda de conducţie puternic acceleraţi de câmpul electric. Electronii sunt

promovaţi în banda de conducţie, în principal, de pe nivelurile de energie

Fig. 2.34 Structura energetică a unui cristal

izolant impurificat.


95

introduse de impurităţi sau de alte defecte de reţea în banda interzisă

Fermi, dar şi din banda de valenţă prin efect tunel. De asemenea, ei mai

pot fi injectaţi de electrozi sau pot fi produşi prin efecte externe, ca

iradierile cosmice.

În ceea ce priveşte modul în care electronii transferă reţelei

cristaline, adică particulelor din noduri (atomi, ioni sau molecule),

energia preluată de la câmpul electric au fost elaborate mai multe teorii

(Fröhlich, von Hippel, Callen etc). O teorie simplă este cea a avalanşelor

de electroni - prezentată în continuare.

În această teorie se consideră că un electron din banda de

conducţie, cu masa m0 şi sarcina q0 şi care parcurge sub acţiunea forţei

F q E= 0 , datorată câmpului electric de intensitate E , o distanţă x,

acumulează o energie Wa = q0Ex. Prin ciocniri, electronul cedează

particulelor din noduri energie (producând încălzirea materialului) dacă

energia sa este cel puţin egală cu energia unui fonon (hff 1/30 eV - unde

ff este frecvenţa de oscilaţie proprie a fononului). Fie ~ drumul liber

mijlociu, adică distanţa medie parcursă de electron între două ciocniri

succesive. Pe distanţa ~ electronul primeşte energia Wa=q0E

~ şi dacă

aceasta este mai mare decât hff atunci, după ciocnire, electronul rămâne

cu un rest de energie: Wr = q0E~ - hff.

Continuându-şi mişcarea, electronul va acumula o nouă cantitate

de energie Wa, având la următoarea ciocnire o energie Wr + q0E~ iar

după ciocnire rămâne cu o energie: Wr + q0E~ - hff = 2Wr. Prin efect

cumulativ, la un moment dat energia electronului este suficient de mare

pentru a produce ionizarea particulei, deci, smulgerea unui electron.

Printr-un proces ca cel descris mai sus cei doi electroni vor smulge

fiecare câte un electron, producându-se o avalanşă de electroni ce poate

provoca străpungerea materialului. Formarea avalanşelor este strâns

legată de mărimea câmpului electric, ceea ce explică variaţia rapidă a

conductivităţii electronice el cu intensitatea câmpului electric în zona lui

Pool.

Conductivitatea totală a unui cristal izolant în câmpuri electrice

uzuale (slabe şi medii, E 105 … 106 V/m) este:

exp exp exp exp2 2 2 2

gi e rel ion i e g r

r

ww w wC C C C

kT kT kT kT

= + = − + − + − = −

; (2.90)


96

în care constantele Ci, Ce, Cg şi Cr nu depind, practic, de temperatură şi

câmpul electric când acestea au valori uzuale. Relaţia (2.85) arată că, spre

deosebire de metale, la cristalele izolante conductivitatea electrică creşte

(sensibil) cu temperatura. De asemenea, ea creşte cu procentul de

impurităţi - cea mai importantă fiind umiditatea - de unde necesitatea

utilizării unor materiale curate şi cât mai pure şi, la nevoie, impregnate şi

lăcuite pentru a le împiedica să absoarbă umezeală.

Experienţa arată că şi conductivitatea solidelor izolante amorfe

variază cu temperatura - la temperaturi şi câmpuri electrice uzuale - după

funcţiuni de forma (2.90) de mai sus (vezi şi § 2.4.2 de mai jos). Deci,

conductivitatea oricărui izolant solid creşte exponenţial cu temperatura.

2.4.2 Conducţia electrică a lichidelor electroizolante

Conducţia electrică a lichidelor electroizolante depinde de tipul

moleculelor (polare sau nepolare) şi de gradul de puritate.

În cazul lichidelor nepolare, purtătorii de sarcină ce realizează

conducţia electrică sunt ionii (pozitivi şi negativi) rezultaţi din disocierea

moleculelor de impurităţi (pe care le conţin, practic, întotdeauna

lichidele, indiferent de stadiul lor de purificare).

La lichidele polare, conducţia electrică este asigurată atât de ionii

de impuritate cât şi de ionii proprii rezultaţi din disocierea, sub acţiunea

câmpului electric, a moleculelor polare.

Spre deosebire de gaze, unde mişcarea moleculelor este total

dezordonată, la lichide, moleculele oscilează în jurul unor poziţii de

echilibru cu o frecvenţă f = 1012 … 1013 Hz. Durata de timp medie de

trecere dintr-un punct de echilibru în altul se numeşte durată de relaxare,

. Trecerea, dintr-o astfel de poziţie metastabilă în alta se face prin

escaladarea unei bariere de energie potenţială de înălţime U, dependentă

de natura lichidului, cu o probabilitate, în unitatea de timp, de forma:

Pf

U kTe = −6

exp / , în care se poate considera că T şi U nu variază

cu timpul.

Probabilitatea de escaladare în intervalul elementar de timp dt are

expresia: P dtf

U kT dte = −6

exp / iar în intervalul t (0, +)


97

este: ( ) f

U kT dtf

U kT6 6

0

exp / exp /− = + −

+

. Dacă este chiar

durata de relaxare, în intervalul t(0, +) escaladarea barierei este un

eveniment sigur şi, trecând la limită pentru →0 se obţine

relaţia: f

U kT6

1exp /− = , de unde rezultă:

6

exp /U kTf

= (2.91)

Relaţia (2.91) arată că durata de relaxare scade cu creşterea

temperaturii şi, în concordanţă cu datele experimentale, mobilitatea

ionului creşte cu temperatura.

Se pot utiliza relaţiile stabilite în § 1.2.4 pentru constanta de

difuziune D şi mobilitatea ionului M:

22

/exp6

akTU

faD =−= şi

2

m mDq a q

kT kT= =M (2.92)

unde wb = U iar a este distanţa medie dintre molecule (egală

aproximativ cu diametrul unei molecule). Introducând expresia

mobilităţii din (2.87) în relaţia generală = N qm M, unde N este

concentraţia numerică a ionilor, rezultă următoarea expresie a

conductivităţii lichidelor izolante:

2 2 2 2

exp / exp /6

m ml l

Na q Na fqU kT C U kT

kT kT

= = − = − , (2.93)

unde s-a notat CNa fq

kTl

m=

2 2

6, considerând variaţia ei cu temperatura o

constantă. Relaţia (2.93) arată că expresia conductivităţii unui lichid

izolant are aceeaşi formă cu aceea a unui cristal izolant, deci şi l creşte

exponenţial cu temperatura şi direct proporţional cu concentraţia ionilor

proprii sau de impuritate.

În lichidele nepolare, conducţia electrică se datorează numai

convecţiei ionilor de impuritate şi are valori foarte mici, deci izolanţii

nepolari puri au bune proprietăţi izolante. Uleiul de transformator, care

este un lichid nepolar, are rezistivitatea de 21010 m nepurificat, de

51012 m după purificare şi de 1016 m când este foarte pur. Deci, se

obţine o remarcabilă îmbunătăţire a calităţilor sale printr-o purificare cât

mai înaintată.


98

În câmpuri electrice intense

(E Ec - fig. 2.35) conductivitatea

lichidelor izolante creşte cu

creşterea intensităţii câmpului

electric. Caracteristica I = f(E),

reprezentată în figura 2.35, arată

că, în cazul lichidelor foarte pure şi

pentru un anumit domeniu de

variaţie a câmpului, apare un prag

asemănător celui din cazul gazelor

(vezi fig. 2.36).

Aşa cum s-a menţionat în

§ 1.2.1 solidele amorfe au comportări analoage cu ale lichidelor, putând

fi considerate ca lichide suprarăcite; de aceea expresia (2.93) poate fi

folosită, cu aproximaţie, şi pentru conductivitatea solidelor amorfe.

Evident, mărimile de material U, f şi au valori mult diferite; de

exemplu, la temperatura camerei, 10-11 … 10-12 s la lichide şi zeci,

sute de ani la solidele amorfe. De asemenea, se constată forma

asemănătoare a expresiei conductivităţii unui cristal izolant (2.90) şi a

unui solid amorf (2.93).

2.4.3 Conducţia electrică a gazelor

Conducţia electrică a gazelor se datorează atât ionilor obţinuţi

prin ionizarea (datorită ciocnirii moleculelor, iradierii gazului cu câmpuri

electromagnetice sau cu particule) moleculelor gazului, care sunt, în

general, neutre cât şi electronilor emişi de electrozi. O parte dintre

purtătorii de sarcină - pozitivi şi negativi - se recombină între ei; acest

proces de recombinare, împreună cu acela de antrenare a purtătorilor de

sarcină de către însuşi curentul electric, duce la scăderea concentraţiei

purtătorilor de sarcină. În regim staţionar numărul purtătorilor rezultaţi

din ionizări este egal cu numărul purtătorilor care se recombină sau sunt

antrenaţi în curentul electric.

Procesul de conducţie în gaze trebuie studiat în funcţie de

intensitatea câmpului electric, aşa cum rezultă şi din caracteristica J =

f(E) reprezentată în fig. 2.36.

Fig. 2.35 Caracteristica I=f(E) la

lichidele electroizolante.


99

1. În câmpuri electrice slabe

(porţiunea OA a curbei) ciocnirile

dintre particule sunt foarte rare,

sursa purtătorilor de sarcină

constituind-o doar agenţii de

ionizare externi. Deoarece încetarea

acţiunii agenţilor externi conduce la

dispariţia purtătorilor de sarcină din

gaz şi, deci, a curentului electric de

conducţie, se spune că, în acest caz,

se produce o descărcare

neautonomă sau întreţinută.

Dispariţia purtătorilor de sarcină se face prin recombinare, procesul de

antrenare a lor de către curentul electric fiind foarte slab, neglijabil în

raport cu cel de recombinare. Se poate admite că numerele purtătorilor de

sarcină pozitivi +N şi negativi −N care dispar în unitatea de timp din

unitatea de volum prin recombinări sunt proporţionale cu concentraţiile

numerice N+ şi N- ale purtătorilor:

= = =+ − + −N N CN N CN 2 , (2.94)

unde N = N+ = N-, deoarece gazul este neutru din punct de vedere

macroscopic şi C este o constantă de proporţionalitate. Notând cu +N şi

−N numerele ionilor pozitivi, respectiv negativi produşi în unitatea de

timp şi de volum, pentru regimul staţionar se obţine: +N = +N = CN2

şi −N = −N = CN2, deci +N = −N = N . Înlocuind în expresia

generală a conductivităţii m mN q N q + + − −= +M M , unde qm sunt

sarcinile ionilor şi M+, M- mobilităţile acestora, se obţine:

( ) /mq N C + −= +M M (2.95)

Cum mărimile M şi N nu sunt influenţate de intensitatea câmpului

electric în câmpurile electrice slabe, rezultă că este constant şi, în acest

caz, este practic satisfăcută legea lui Ohm, dependenţa J = f(E) fiind

liniară pentru valori ale câmpului inferioare câmpului critic Ec.

2. În câmpuri electrice intense (porţiunea AB a curbei) purtătorii

de sarcină sunt puternic acceleraţi de către câmpul electric şi efectul de

recombinare este neglijabil în raport cu cel de antrenare a purtătorilor de

Fig. 2.36 Caracteristica J = f(E) la gazele

electroizolante

Ec Es


100

sarcină (toţi purtătorii produşi la un electrod dispar, în unitatea de timp, la

celălalt electrod, deci parcurg distanţa d dintre cei doi electrozi).

Densitatea curentului de conducţie se datorează convecţiei

purtătorilor care dispar prin antrenare:

( ) ( )m m mJ N N q v N N q d 2 N q d

+ − + − = + = + = (2.96)

Din relaţia (2.96) rezultă că J nu depinde, practic, de E, deci s-a atins o

valoare de saturaţie a densităţii de curent (J este constant). Valorile

câmpului electric, între Ec şi Es, nu sunt suficiente pentru a produce

ionizări ale moleculelor gazului, deci, şi în acest interval, descărcarea este

neautonomă (întreţinută).

3. În câmpuri electrice foarte intense (porţiunea BC din curbă)

purtătorii de sarcină capătă o energie suficientă pentru ca prin ciocnire cu

moleculele gazului să le ionizeze şi să determine formarea de avalanşe de

purtători de sarcină. Acest proces de ionizare fiind mult mai important

decât cel determinat de factorii externi (contribuţia acestora fiind

neglijabilă în raport cu cea a câmpului electric), se spune că are loc o

descărcare electrică autonomă sau neîntreţinută, deoarece se produce şi

fără aport de energie din exterior. Formarea avalanşei determină o

creştere rapidă a densităţii de curent cu intensitatea câmpului electric

(pentru E Es ) şi, în final, o străpungere a gazului.

2.5 Străpungerea materialelor electroizolante

Aşa cum s-a văzut din studiul conducţiei electrice, la depăşirea

unei anumite valori a intensităţii câmpului electric, densitatea curentului

electric creşte rapid cu câmpul şi are loc străpungerea izolantului.

Fenomenul de străpungere se produce dacă tensiunea aplicată depăşeşte

valoarea numită de străpungere, Ustr respectiv dacă intensitatea câmpului

electric este, cel puţin, egală cu rigiditatea dielectrică, Estr (vezi § 2.2).

În practică, Estr nu se poate determina ca mărime intrinsecă de

material pentru că străpungerea electrică este un fenomen complex ce

depinde de foarte mulţi factori. Condiţiile ideale în care s-ar putea

determina o rigiditate dielectrică intrinsecă sunt: câmp uniform în

material, curent alternativ de frecvenţă industrială (ca să nu apară sarcini

spaţiale şi fenomene de inerţie, de care ar trebui ţinut seama la frecvenţe

mari), dimensiuni ale condensatorului potrivite pentru ca numărul


101

purtătorilor de sarcină între electrozi să nu fie prea mic, ceea ce ar limita

curentul de străpungere, temperatură constantă în timpul încercării şi

destul de scăzută ca să nu modifice proprietăţile dielectricului.

Cum în practică condiţiile ideale nu sunt niciodată îndeplinite, se

determină rigiditatea în anumite condiţii prevăzute de standarde,

obţinându-se o rigiditate dielectrică tehnică, care nu este o mărime

intrinsecă de material, dar poate servi la compararea între ele a diferitelor

materiale şi la verificarea valorii impuse de standard pentru rigiditatea

dielectrică.

Factorii care influenţează valoarea rigidităţii dielectrice sunt

numeroşi şi pot fi grupaţi în funcţie de diverse elemente determinante,

astfel:

a. de material: omogenitatea şi grosimea materialului, eforturile

interioare, prezenţa incluziunilor gazoase, a umezelii şi a altor impurităţi;

b. de tensiunea de încercare: frecvenţa, forma curbei de variaţie în

timp, durata de aplicare şi neuniformitatea câmpului electric;

c. de mediul în care se face încercarea: temperatura, presiunea,

umiditatea, proprietăţile electrice şi termice ale mediului ambiant;

d. de electrozii de încercare: natura, dimensiunile şi

conductivitatea termică a electrozilor.

2.5.1 Străpungerea gazelor electroizolante

După cum s-a văzut în § 2.4.3, în câmpuri electrice foarte intense,

purtătorii de sarcină liberi (electroni şi ioni) sunt puternic acceleraţi de

câmpul electric; energia acumulată de ei este suficientă pentru a ioniza

moleculele gazului şi să se producă avalanşe de electroni, deci să se

străpungă gazul. Datorită faptului că drumul liber mijlociu al purtătorilor

de sarcină este mare în gaze, energia acumulată între două ciocniri

succesive este mare şi, deci, rigiditatea dielectrică a gazelor, la presiune

normală, nu este prea ridicată (pentru aer la presiune normală Est = 3,2

MV/m).

Conform teoriei lui Townsend, elaborată pentru cazul câmpurilor

electrice uniforme, tensiunea de străpungere se poate calcula cu relaţia:


102

( )ln

ln 1 1/

str

ApdU

Bpd

=

+

, (2.97)

unde p este presiunea gazului, d - distanţa dintre electrozi, A, B -

constante de material şi - al doilea coeficient de ionizare al lui

Townsend, egal cu numărul de electroni emişi de catod în unitatea de

timp, pe unitatea de suprafaţă.

Relaţia lui Townsend este bine verificată experimental, pentru

valori ale produsului pd 200 torrcm; curbele lui Pachen (fig. 2.37),

ridicate experimental, indică acest lucru.

Fig. 2.37 Curbele lui Pachen Fig. 2.38 Dependenţa de frecvenţă a

rigidităţii aerului

Există o valoare a produsului notată cu (pd)min la care Ustr şi, deci

şi Estr, au valori minime. La distanţa d între electrozi constantă, prin

creşterea presiunii gazului peste pmin creşte rigiditatea dielectrică deoarece

se micşorează drumul liber mijlociu. La scăderea presiunii sub pmin, de

asemenea, Estr creşte datorită micşorării probabilităţii de ciocnire a

purtătorilor de sarcină, acceleraţi de câmp, cu moleculele gazului.

Această proprietate este utilizată în tehnică unde sunt folosite gaze sub

presiune ca dielectrici ai condensatoarelor şi ca izolanţi în construcţia

cablurilor electrice sau sunt folosite gaze la presiuni foarte joase în

construcţia întrerupătoarelor cu vid.

Din curbele lui Pachen se observă că există o tensiune minimă

sub care străpungerea în câmp uniform nu mai este posibilă, indiferent de

presiunea gazului şi distanţa dintre electrozi. Această tensiune este,


103

pentru majoritatea gazelor, cuprinsă între 280 şi 420 V (pentru aer este

aproximativ 350V).

Rigiditatea gazelor în câmp uniform variază şi cu frecvenţa. În

figura 2.38 este reprezentată această dependenţă pentru aer (Estr0 este

rigiditatea determinată în câmp electric continuu). Pentru frecvenţe

f 104 Hz se constată că raportul k = Estr / Estr0 are valoarea 1, deci

frecvenţa nu influenţează rigiditatea dielectrică. Pentru 104 f 5106 Hz,

k scade (deci şi Estr) cu creşterea frecvenţei datorită acumulării de sarcină

electrică de volum în gaz, acumulare datorată vitezelor diferite ale ionilor

pozitivi şi ale electronilor. Pentru frecvenţe f 5106 Hz rigiditatea creşte

deoarece durata procesului de ionizare prin ciocnire (de ordinul a 10-7 …

10-8 s) devine comparabilă cu semiperioada câmpului electric alternativ,

electronii trebuind să fie acceleraţi într-un câmp mai intens pentru a primi

(într-un timp mai scurt) energia necesară ionizării gazului.

În cazul câmpurilor neuniforme, înainte de producerea

străpungerii aerului, apare fenomenul corona. Acesta constă într-o

descărcare incompletă, concentrată într-o zonă îngustă în jurul

electrozilor, care sunt înconjuraţi de o coroană luminoasă.

Fenomenul de conturnare, care este tot o străpungere incompletă

în câmpuri neuniforme, constă în apariţia unei descărcări pe suprafaţa

unui izolant solid supus încercării de străpungere. Apariţia conturnării

este determinată atât de forma liniilor câmpului electric condiţionată de

configuraţia electrozilor şi a dielectricului cât şi de frecvenţa câmpului

electric, de starea suprafeţei dielectricului, de presiunea aerului etc.

Străpungerea gazelor este influenţată şi de alţi factori ca: distanţa

dintre electrozi (Estr scade cu creşterea distanţei), temperatura (Estr scade

la creşterea temperaturii), umiditatea - care prezintă influenţă numai în

câmpuri neuniforme - (Estr creşte cu umiditatea) etc.

2.5.2 Străpungerea lichidelor electroizolante

Fenomenul de străpungere al lichidelor este mai complex decât

cel al gazelor. Există mai multe modele şi teorii privind explicarea lui dar

nici una nu poate lămuri, complet, fenomenele ce au loc în timpul

desfăşurării acestui proces complex.


104

1.Teoria ionizării, elaborată de Peek, reprezintă o extindere a

teoriei lui Townsend la lichide. Cum, în acest caz, moleculele sunt mult

mai apropiate decât la gaze şi, deci, drumul liber mijlociu al purtătorilor

de sarcină ~ are o valoare mai mică, pentru a atinge energia necesară

ionizării, pe un parcurs mai scurt, trebuie ca intensitatea câmpului electric

Estr să fie mai mare. Rigiditatea dielectrică a lichidelor este într-adevăr cu

un ordin de mărime mai mare decât la gaze (zeci de MV/m). Valorile

calculate cu relaţia lui Peek sunt însă mult superioare celor determinate

experimental.

2. Teoria străpungerii pur electrice consideră că în procesul de

străpungere sunt determinanţi electronii emişi de electrozi sub acţiunea

câmpului electric.

3. Teoria străpungerii termice consideră că un curent electric de

mică intensitate, stabilit în lichid, conduce la încălzirea lichidului.

Datorită încălzirii apar bule de vapori care se dispun - sub acţiunea

forţelor câmpului electric - de-a lungul liniilor de câmp, formând punţi

gazoase între electrozi. Prin ionizări, apar în primele faze descărcări

electrice în aceste punţi gazoase care, apoi, se extind în tot lichidul.

4. Teoriile fenomenologice propun unele dependenţe ale rigidităţii

dielectrice de anumiţi parametri fizici ai lichidelor electroizolante

(densitatea masică, tensiunea superficială, presiunea hidrostatică, raza

medie a moleculelor de lichid şi permitivitatea). Dependenţele au fost

stabilite experimental şi stau la baza unor teorii fenomenologice ce

explică străpungerea lichidelor.

Ca şi în cazul gazelor rigiditatea dielectrică a lichidelor este

influenţată de numeroşi factori:

-impurităţile, atât cele solubile cât şi cele insolubile, duc la

scăderea rigidităţii prin creşterea numărului de purtători de sarcină (în

cazul celor solubile) sau prin formarea de punţi de legătură între electrozi

(în cazul celor polare). Impuritatea cea mai frecventă şi mai periculoasă

este apa sau scamele care absorb apă;

-frecvenţa. Rigiditatea creşte cu creşterea frecvenţei şi prezintă un

maxim la o frecvenţă de câteva sute de Hz. Pentru valori mai mari ale

frecvenţei, rigiditatea scade deoarece cresc pierderile de energie activă în

lichid şi devine preponderentă străpungerea termică;


105

- distanţa dintre electrozi. La creşterea distanţei rigiditatea scade

deoarece numărul de ciocniri ionizante ale purtătorilor de sarcină este

mai mare;

- presiunea. Rigiditatea dielectrică a lichidelor creşte la creşterea

presiunii deoarece se micşorează volumul bulelor de gaz din lichid.

2.5.3 Străpungerea solidelor electroizolante

În cazul dielectricilor solizi, fenomenul de străpungere este mult

mai complex decât la gaze sau lichide şi nu este complet elucidat. În

funcţie de factorii predominanţi în procesul de străpungere se disting mai

multe tipuri de străpungere: pur electrică, termică, electromecanică,

electrochimică, prin descărcări parţiale etc.

Străpungerea pur electrică se datorează exclusiv acţiunii

câmpului electric asupra materialului. Distrugerea e de natură mecanică,

urmele lăsate în material fiind canale fine (cu diametrul de 10-2 mm)

încercuite, concentric, de crăpături. Această străpungere apare la creşterea

rapidă a tensiunii aplicate, la temperaturi reduse, la materiale de grosime

mică, este favorizată de un câmp neuniform, durata procesului este

redusă şi rigiditatea dielectrică este, practic, independentă de temperatură.

Poate fi străpungere intrinsecă sau străpungere în avalanşă.

Străpungerea intrinsecă se datorează acţiunii pe care o au

electronii din banda de conducţie, puternic acceleraţi de câmpul electric,

asupra reţelei cristaline. Se produce în 10-7 … 10-8 s, este independentă de

forma tensiunii aplicate şi nu depinde de dimensiunile probei, de forma,

natura şi distanţa dintre electrozi.

Străpungerea în avalanşă se datorează formării avalanşelor de

electroni aşa cum s-a descris în § 2.4.1.2 şi depinde de dimensiunile

probei (distanţa dintre electrozi) iar durata procesului este mai mare decât

la cea intrinsecă.

Străpungerea termică apare la temperaturi mai ridicate şi este

puternic dependentă de temperatură. Distrugerea materialului se produce

prin ardere, curentul intens care îl străbate formând un canal prin material

datorită carbonizării acestuia. Urmele lăsate de acest tip de străpungere

sunt canale late, neregulate; străpungerea este favorizată de un câmp

uniform şi de o temperatură ridicată a materialului şi procesul se produce


106

mai lent. Se cunosc mai multe teorii privind străpungerea termică [14,

18], pornind de la diverse modele: modelul canalului electroconductor în

câmpuri constante (modelul lui Wagner), teoria elementară a lui Fock,

modelul străpungerii electrotermice în câmpuri armonice, modelul

străpungerii electrotermice de impuls etc

Iniţial, teoria străpungerii termice a fost elaborată de

K.W. Wagner care în modelul său a considerat că în dielectricul de tip

placă dispus între electrozi plani paraleli există canale cilindrice care, din

cauza neomogenităţilor se încălzesc mai mult decât restul materialului.

Cum funcţionarea materialului sub o anumită tensiune implică egalitatea

căldurii produse cu cea disipată în unitatea de timp, în ipoteza că

disiparea se face exclusiv prin suprafaţa laterală a canalului, Wagner

deduce pentru tensiunea de străpungere termică expresia:

Us e

estr

t=

−

0

2 0/, (2.98)

unde este grosimea materialului, - conductivitatea termică, t0 -

temperatura mediului ambiant, s - secţiunea canalului, , 0 - constante de

material şi e - baza logaritmilor naturali.

Experienţa arată, însă, că tensiunea de străpungere nu este

proporţională cu grosimea materialului, aşa cum reiese din formula

(2.98), iar teoria a fost modificată de V.A.Fock şi simplificată de M.I.

Mantrov. În această teorie simplificată se consideră un dielectric de

grosime 2h plasat între doi electrozi placă cărora li se aplică o tensiune

continuă U (fig. 2.39) şi în acesta un canal de secţiune unitate (s = 1) în

care se dezvoltă într-o secundă o cantitate de căldură Q (exprimată în

W/cm2):

QU

R

U

h shE= = =0 24 0 24

20 24 2

2 2

2, ,/

,

, (2.99)

unde R este rezistenţa canalului, - conductivitatea electrică şi E -

intensitatea câmpului electric aplicat.


107

Se consideră, de asemenea, că disiparea căldurii se face pe la

electrozi (ipoteză cu totul verosimilă având în vedere conductivitatea

termică mult mai redusă a dielectricului faţă de cea a electrozilor

metalici) şi că orice tub de forţă dintre cei doi electrozi reprezintă un

canal în care se dezvoltă o cantitate de căldură Q. Notând cu tm -

temperatura maximă a materialului, la mijlocul său, cu ta - temperatura

mediului ambiant şi cu ts - temperatura electrozilor, căldura disipată într-

o secundă prin unitatea de suprafaţă a electrozilor, este:

Q= 2c(ts - ta), (2100)

unde cu c s-a notat coeficientul de transmisie a căldurii de la electrozi

către mediul înconjurător, în cal/cm2s0C. La echilibru Q = Q:

( )20,24 s ahE c t t = − ( )20,24 ahE c ts t = − (2.101)

Conductivitatea dielectricului este de forma = C exp[-W/kT] şi

se poate scrie sub forma simplificată = 0et ( fiind o constantă

de material) dacă se ţine cont de dezvoltarea în serie: 1 1

273

1

273

1

273

1

2732 3

2

T tt t=

+= − + −... , din care se reţin primii doi

termeni (termenul în t2 şi următorii fiind neglijabili în domeniul

temperaturilor obişnuite în exploatare ale izolanţilor - 80 …100 0C).

Cum în cazul considerat t = tm - ta, rezultă:

( ) ( )2

00 24 m at t

s a, h e E c t t

−= − (2.102)

Ecuaţia (2.102) conţine două necunoscute tm şi ts dintre care una

(ts) nu interesează. Pentru eliminarea ei se scrie conservarea fluxului de

Fig. 2.39 Explicarea ipotezelor lui Fig. 2.40 Bilanţul termic în cazul străpun-

V.A. Fock gerii termice conform teoriei lui V. A. Fock


108

căldură care străbate canalul considerat, de la mijloc până la unul din

electrozi:

( )t t

Rc t t

m s

t

s a

−= − , (2.103)

unde Rt este rezistenţa termică a canalului pe lungimea h: Rt =h/s=h/,

fiind conductivitatea termică a materialului şi s = 1.

Din (2.103) rezultă:

( )

t tt t

chs a

m a− =

−

+

(2.104)

Ţinând cont de relaţia (2.104), ecuaţia (2.102) devine:

( ) ( )

m at t m a2

0

c t t0,24hE e

ch

−−

=+

(2.105)

Dacă se reprezintă grafic cei doi termeni ai acestei egalităţi în

funcţie de tm se obţine diagrama din figura 2.40. Căldurile produse Q1, Q2,

Q3 sunt reprezentate pentru diverse valori ale tensiunii aplicate U1, U2, U3

şi variază exponenţial cu tm. Căldura disipată Q variază liniar cu tm, deci

este o dreaptă care taie axa absciselor în ta.

Dacă dielectricului i se aplică tensiunea U3 curba Q3 nu taie

dreapta căldurii disipate Q şi, deci, căldura produsă este totdeauna mai

mare decât cea disipată, materialul se va încălzi nelimitat şi se va distruge

termic. Dielectricul considerat nu se poate utiliza în aceste condiţii la

tensiunea U3.

Dacă i se aplică dielectricului o tensiune mai mică U1, curba Q1

taie dreapta Q în punctele A şi B. Până în punctul A căldura produsă este

mai mare decât cea disipată şi dielectricul se încălzeşte, deci, până la

temperatura tA, presupusă a fi admisibilă pentru material. La o creştere cât

de mică a temperaturii peste tA, căldura produsă ar fi mai mică decât cea

disipată, ceea ce este imposibil, punctul A este, deci, un punct de

funcţionare stabil.

Dacă, însă, materialul ar primi din afară o cantitate de căldură

suplimentară, el ar putea funcţiona sub tensiunea U1 şi la o temperatură

peste tA, numai dacă diferenţa Q1 - Q (la temperatura respectivă) este mai

mare decât căldura suplimentară primită. În acest fel, ar putea funcţiona

până la temperatura tB, - dacă şi aceasta este o temperatură admisibilă

pentru material. Dincolo de punctul B, însă, căldura produsă este mai


109

mare decât cea disipată şi materialul se străpunge termic; punctul B nu

este un punct de funcţionare stabil.

Curba corespunzătoare tensiunii aplicate U2 este tangentă în

punctul C la dreapta Q şi este o curbă limită. Materialul poate funcţiona

numai la tensiuni mai mici decât U2, aceasta fiind tocmai tensiunea de

străpungere termică.

Din condiţia de tangenţă a curbei Q2 la dreapta Q

(dQ/dtm = dQ/dtmC) rezultă:

( )

+=

−

ch

cehE am tt

0

224,0 C (2.106)

Împărţind relaţia (2.106) la (2.105) rezultă: = 1/(tm - ta) şi deci

tm = ta + 1/, care înlocuită în (2.101) şi ţinând cont şi că Estr = Ustr/2h se

obţine:

U

ech

str =

+

2

0 24 10

,

(2.107)

Pentru a pune în evidenţă

variaţia lui Ustr cu grosimea

materialului h se scrie relaţia

(2.107) sub forma:

UA

BC

h

str =

+

1

, unde

A, B şi C sunt constante în raport

cu h. Curba de variaţie a lui Ustr

în funcţie de h este reprezentată

în figura 2.41; pentru h mare Ustr tinde către o valoare constantă.

În cazul aplicării unui câmp alternativ se obţine o expresie

analoagă cu (2.107). Căldura produsă în acest caz are expresia:

Q = 0,24 U2Ctg, în care C0( 1) / 2r h = este capacitatea tubului de

forţă considerat şi factorul de pierderi tg se poate scrie sub forma

simplificată: ( )

tg tg et tm a

=

−

0 , tg0 şi fiind constante pentru

materialul considerat. Cu aceste notaţii se obţine:

Fig. 2.41 Variaţia tensiunii de străpungere

termică cu grosimea materialului.


110

U

tg ech

str

r

=

+

2

0 24 10 0

,

(2.108)

Din relaţia (2.108) se deduce că tensiunea de străpungere termică

scade la creşterea frecvenţei ( = 2f) şi depinde - ca şi în curent

continuu - de proprietăţile termice şi electrice ale dielectricului.

Tensiunea de străpungere termică este mai mică decât tensiunea

de străpungere electrică şi, deci, ea trebuie considerată la calculul pieselor

electroizolante.

În dielectricii neomogeni tensiunea de străpungere depinde mult

de natura componentelor şi, în cazul în care materialul conţine ocluziuni

gazoase, străpungerea prin ionizare are ca efect distrugerea materialului

atât prin ionizarea ocluziunilor gazoase - străpungerea prin descărcări

parţiale - cât şi prin acţiunea chimică a produselor de descompunere a

gazelor din ocluziuni - străpungere electrochimică.

În realitate, străpungerea unui dielectric solid este urmarea mai

multora dintre fenomenele menţionate care se suprapun, este deci mixtă,

unul sau altul dintre tipurile de străpungere fiind preponderent în anumite

condiţii.

Valoarea rigidităţii dielectrice a solidelor electroizolante este

influenţată de diverşi factori:

- grosimea materialului. Pentru mostre subţiri Estr nu variază cu

grosimea acestora, străpungerea fiind preponderent electrică, dar în cazul

mostrelor de grosimi mari (când se produce o străpungere termică) Estr

scade cu grosimea;

- frecvenţa. Rigiditatea scade cu creşterea frecvenţei aşa cum se

vede şi din relaţia (2.108);

- temperatura. În cazul străpungerii pur electrice temperatura nu

influenţează, practic, rigiditatea dielectrică iar în cazul străpungerii

termice Estr scade cu creşterea temperaturii;

-structura fizică şi compoziţia chimică. Structura fizică

influenţează mult valorile rigidităţii: o structură foarte compactă, ca la

sticlă sau mică în strat subţire, corespunde unei rigidităţi ridicate, pe când

o structură poroasă, ca cea a hârtiei sau azbestului, unei rigidităţi scăzute.


111

2.6 Îmbătrânirea materialelor electroizolante. Durata de viaţă

În cursul exploatării, materialele electroizolante sunt supuse unor

solicitări electrice, termice, mecanice şi de mediu care produc modificări

structurale în acestea. Aceste modificări conduc la degradarea - numită şi

îmbătrânire - lor, adică la înrăutăţirea proprietăţilor lor. Timpul după care

materialul, iniţial nedegradat, devine inutilizabil datorită pierderii

proprietăţilor necesare în exploatare se numeşte timpul de viaţă sau

durata de viaţă a materialului. Se consideră că materialul şi-a pierdut o

anumită proprietate, atunci când mărimea ce defineşte acea proprietate

atinge o anumită valoare limită (aleasă convenţional). De exemplu, dacă

strE scade la jumătate din valoarea sa iniţială, se consideră că materialul

şi-a pierdut proprietatea de a nu fi străpuns electric în condiţiile utilizării

normale.

2.6.1 Factori de îmbătrânire

Gradul de îmbătrânire al unui material electroizolant este

determinat de natura şi structura sa dar şi de regimul de solicitare.

Ansamblul de solicitări şi factori de influenţă poartă numele de factori de

îmbătrânire.

Principalele solicitări la care sunt supuse materialele

electroizolante în exploatare sunt: termice, electrice, mecanice şi de

mediu.

Solicitările termice au cea mai mare influenţă asupra proceselor

de îmbătrânire, în special la materialele electroizolante organice. Factorii

de influenţă asupra proprietăţilor de material, legaţi de această solicitare,

sunt: temperatura maximă, temperatura maximă şi minimă a mediului

ambiant şi gradientul de temperatură.

Solicitările electrice au o influenţă mai mică asupra îmbătrânirii,

uneori influenţând indirect acest proces prin efectele nocive ale

descărcărilor parţiale interne sau externe. Factorii de influenţă legaţi de

această solicitare sunt: tensiunea de serviciu, supratensiunea în regim

tranzitoriu, frecvenţa şi descărcările parţiale.

Solicitările mecanice pot influenţa, de asemenea, procesele de

îmbătrânire prin tensiunile mecanice interne sau externe. Factorii de


112

influenţă ai îmbătrânirii mecanice sunt: vibraţiile electrodinamice, şocul

electrodinamic, îndoirea, compresiunea, întinderea, presarea, răsucirea.

Solicitările de mediu sunt destul de puternice şi îmbătrânirea are

loc sub influenţa următorilor factori: aer, oxigen, hidrogen, azot, gaz

inert, 6SF , poluare industrială ( )NaClSO ,2, radiaţii ultraviolete, vid,

lubrifianţi, solvenţi, apă, acizi, baze, praf şi nisip, praf semiconductor,

ciuperci, rozătoare, termite, umiditate etc.

Cauza îmbătrânirii materialelor constă în modificările fizico-

chimice ireversibile din acestea, produse datorită solicitărilor exterioare.

Fenomenele chimice care produc îmbătrânirea sunt:

-fenomenul de oxidare, prezent în toate materialele izolante.

Există în materiale un proces lent de oxidare în urma căruia se formează

produse acide care intensifică conducţia electrică şi scad rezistivitatea şi

rigiditatea dielectrică. Acestui proces de oxidare i se asociază şi un efect

de reticulare care duce la scăderea elasticităţii şi plasticităţii materialului.

-fenomenul de depolimerizare este caracterizat prin scăderea

gradului de polimerizare şi are loc numai la temperaturi ridicate.

-evaporarea contribuie de asemenea la îmbătrânirea izolaţiei.

Astfel, în urma procesului de depolimerizare, datorită produselor volatile

care apar, scade rezistenţa mecanică a materialului (prin pierderea de

masă), se fragilizează materialul, apar unele cavităţi (cu gaz) în care se

dezvoltă descărcări electrice parţiale etc.

-hidroliza este un fenomen important care contribuie la

îmbătrânirea izolaţiei. Apa, pătrunzând în moleculele unui material

organic, modifică structura moleculară a acestuia şi prin urmare şi

proprietăţile fizico-chimice.

2.6.2 Durata de viaţă a izolaţiei

Durata de viaţă a izolaţiei este intervalul de timp în care

fiabilitatea izolaţiei scade de la valoarea sa iniţială până la o valoare

minimă aleasă în funcţie de fiabilitatea totală a sistemului

electroenergetic din care face parte materialul izolant. Ea poate fi

determinată de mai multe proprietăţi. Cel mai frecvent se utilizează

caracteristicile rigidităţii dielectrice şi ale rezistenţei mecanice ale

izolaţiei.


113

Dacă la încercarea de îmbătrânire se urmăreşte modificarea

tensiunii de străpungere în timp (fig. 2.43) atunci durata de viaţă este

dată de intervalul de

timp în care tensiunea

de străpungere s-a

redus până la valoarea

prescrisă .minstrU

Durata de viaţă

se determină cu

ajutorul curbelor de

îmbătrânire, curbe

care descriu

modificarea

proprietăţilor la

solicitarea termică a

materialului. Aceste

curbe diferă în funcţie de mecanismele de îmbătrânire şi de tipul

caracteristicilor alese (electrice, mecanice etc) şi ca urmare durata de

viaţă la o temperatură de referinţă dată este diferită pentru diverse criterii

de îmbătrânire. Criteriul cel mai des utilizat este cel care consideră că

sfârşitul duratei de viaţă e momentul când caracteristicile electrice sau

mecanice s-au modificat cu 20...50 % din valoarea iniţială.

În analogie cu rata de creştere a reacţiilor chimice se poate

considera pentru durata de viaţă - în cazul în care predomină îmbătrânirea

termică - o lege de forma.

( )

=

T

aT exp0 (2.109)

unde (T) este durata de viaţă la temperatura T, 0 şi a sunt parametri

care depind de natura materialului izolant şi de criteriul de îmbătrânire

ales.

Logaritmând relaţia (2.109), aceasta devine:

( )T

aT1

lglg 0 += , (2.111)

şi curba ( )Tf /1lg = este o dreaptă care se poate trasa cunoscând

coordonatele a două puncte, deci din două determinări experimentale.

Pentru temperatura de regim durata de viaţă se obţine prin extrapolare.

Fig. 2.43 Variaţia tensiunii de străpungere a izolaţiei în

timp, pentru încercarea la două temperaturi diferite.

Ustr

Ustrmin

Ustr0

21

1

Ustr

2

2 1


114

Există materiale în care îmbătrânirea nu este guvernată de o

singură reacţie chimică, pentru acestea curba ( )Tf /1lg = nu mai este o

dreaptă, fiind necesare mai multe determinări experimentale pentru

trasarea curbei şi obţinerea duratei de viaţă.

2.8 Clasificarea materialelor electroizolante

Numărul mare de materiale electroizolante existente şi apariţia

continuă de noi astfel de materiale, cu proprietăţi şi utilizări tot mai

diverse face dificilă realizarea unei clasificări complete care să cuprindă

toate elementele caracteristice comportării acestora în exploatare.

Cea mai cunoscută clasificare este cea după stabilitatea termică

care împarte materialele electroizolante în şapte clase de izolaţie

(prezentate în tabelul 2.2), caracterizate prin anumite temperaturi de

funcţionare maxime admisibile.

Această clasificare este nesatisfăcătoare deoarece se referă la

grupe de materiale ce pot intra în constituţia unui sistem de izolaţie, dar

nu oferă posibilitatea alegerii unui material pentru condiţii impuse de un

anumit scop. Din acest motiv, se propune caracterizarea materialelor prin

indici de performanţă legaţi de comportarea lor la acţiunea temperaturii,

câmpului electric, solicitărilor mecanice, radiaţiilor, de starea lor finală

etc, obţinându-se astfel mai multe informaţii pentru utilizarea lor finală.

Clasificarea exclusiv după compoziţia chimică în: organice, de

trecere (cu proprietăţi între cele ale materialelor organice şi ale celor

anorganice) şi anorganice are un caracter mai mult didactic şi se va utiliza

în continuare pentru prezentarea materialelor electroizolante - în special

solide - evidenţiind anumite proprietăţi specifice fiecărei categorii.

Alte clasificări sunt: în funcţie de starea de agregare (solide,

lichide şi gaze electroizolante), în funcţie de componenta principală a

materialului finit (mica şi produsele pe bază de mică, celuloza şi derivaţii

săi), în funcţie de domeniul de utilizare (izolaţie de crestătură, între

straturi etc), după comportarea la solicitări termice (termoplastice,

termorigide) etc.


115

Tabelul 2.2

Denumirea

clasei de izolaţie

Materiale electroizolante

Y

900C

Materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice,

hârtii celulozice, cartoane - neimpregnate. Polietilenă,

polistiren, PVC, cauciuc natural vulcanizat etc.

A

1050C

Materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice,

hârtii celulozice, cartoane - impregnate cu lacuri uleioase,

oleorăşinoase şi oleobituminoase, precum şi lichide

elctroizolante. Folii poliamidice, de triacetat de celuloză,

materiale combinate folie - preşpan. Cauciuc pe bază de

butadienă cu acrilnitril şi cauciuc pe bază de clorbutadienă

etc.

E

1200C

Pelicula izolantă a conductoarelor emailate cu lacuri

polivinilacetalice, poliuretanice sau epoxidice. Mase

plastice fenolice cu umplutură organică, stratificate pe bază

de hârtii şi ţesături. Răşini epoxidice, poliesterice,

poliuretanice. Folii şi fire de tereftalat de polietilenă etc.

B

1300C

Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport

sau cu suport din hârtie sau ţesătură organică, precum şi pe

bază de fire de sticlă şi azbest - impregnate cu lacuri

oleobituminoase şi lacuri pe bază de răşini naturale, lacuri

bachelitice, lacuri epoxidice, poliuretanice, gliptalice.

Mase plastice cu umplutură anorganică.stratificate pe bază

de fire de sticlă şi azbest. Pelicula izolantă a conductoarelor

emailate cu lacuri tereftalice etc.

F

1550C


sau cu suport anorganic, precum şi pe bază de fire de sticlă

şi azbest - impregnate cu răşini alchidice, epoxidice,

poliesterice, cu stabilitatea termică necesară clasei de

izolaţie, precum şi cu răşini siliconice modificate etc.

H

1800C


sau cu suport anorganic, precum şi pe bază de fire de sticlă

şi azbest - impregnate cu lacuri siliconice. Mase plastice cu

umplutură anorganică. Cauciucuri siliconice etc.

C

1800C

Materiale anorganice (mică, sticlă, ceramică etc). Materiale

pe bază de mică, fără suport sau cu suport din fire de sticlă

- impregnate cu compuşi organici, anorganici sau cu răşini

siliconice cu stabilitatea termică peste 2200C.

Politetrafluoretilenă etc.


116

2.7 Materiale electroizolante gazoase

Gazele utilizate în industria electrotehnică îndeplinesc funcţia de

izolant electric (în aparatura de înaltă tensiune), de mediu de răcire

(uneori concomitent cu cea de izolant) sau de mediu de protecţie

împotriva oxidării sau corodării (gaze neutre) unor materiale constructive

(conductoare sau izolante). Cele mai folosite gaze sunt: aerul, hidrogenul,

azotul, dioxidul de carbon, gazele electronegative etc.

Aerul, ca izolant sau impuritate este prezent în toate sistemele de

izolaţie ale instalaţiilor electrice. Rigiditatea dielectrică la 20 0C şi 1 atm

este de 3,2 MV/m - satisfăcătoare pentru câmpuri electrice mai puţin

intense - şi are valori mult mai mari în cazul presiunilor înalte sau foarte

joase. Această caracteristică determină utilizarea lui în construcţia

condensatoarelor, a întreruptoarelor de înaltă tensiune (cu vid sau cu aer

comprimat) etc. Aerul prezintă dezavantajul că are o acţiune corozivă

asupra metalelor şi izolaţiilor şi de oxidare a uleiurilor, ambele acţiuni

fiind evitate la utilizarea ca izolant a vidului.

Hidrogenul este utilizat, în special, ca mediu de răcire în

construcţia maşinilor electrice de puteri mari datorită valorilor mari ale

conductivităţii termice, căldurii specifice şi coeficientului de transmisie a

căldurii. Deşi rigiditatea sa este de numai 60% din cea a aerului,

hidrogenul este utilizat ca izolant şi mediu de răcire în construcţia

maşinilor electrice de puteri mari atât datorită proprietăţilor lui termice

dar şi datorită densităţii sale reduse (1/14 din cea a aerului) care conduce

la o reducere de 9 ori a frecărilor în maşinile rotative faţă de cazul răcirii

cu aer. Trebuie luate însă măsuri speciale pentru ca aerul să nu pătrundă

în interiorul maşinii (o uşoară suprapresiune de hidrogen) deoarece la

anumite procente de aer şi hidrogen amestecul devine explozibil. Faptul

că oxigenul nu pătrunde în interiorul maşinii electrice determină o mărire

a duratei de viaţă a sistemului de izolaţie, din cauza absenţei oxidării.

Azotul este folosit în locul aerului (în condensatoare şi

transformatoare cu ulei) pentru evitarea oxidării şi pătrunderii umidităţii

în izolaţii, în cablurile cu izolaţie de hârtie impregnată cu ulei (se

utilizează azot sub presiune - 17 atm - având rigiditatea dielectrică de

50...60 MV/m şi căldura specifică şi conductivitatea termică apropiate de

ale uleiului) şi la fabricarea lămpilor cu incandescenţă (în amestec cu

argonul) etc.


117

Dioxidul de carbon fiind foarte solubil în ulei mineral (de 10 ori

mai mult decât aerul) este utilizat ca preimpregnant pentru unele

transformatoare mari şi cabluri cu ulei sub presiune, pentru umplerea

cuvelor transformatoarelor în vederea transportării acestora etc.

Alte gaze ca argonul, neonul, heliul sunt utilizate pentru lămpi cu

incandescenţă sau cu descărcări în gaze iar amoniacul şi clorura de metil

pentru frigidere cu absorbţie.

Gazele electronegative sunt combinaţii clorurate sau fluorurate,

organice şi anorganice care prezintă o mare afinitate pentru electroni cu

care formează foarte uşor ioni negativi cu masă moleculară mare şi factor

de recombinare redus, fiind utilizate, mai ales, în construcţia

întreruptoarelor ca mediu de stingere a arcului electric. Cele mai utilizate

sunt: hexaflorura de sulf şi perfluorcarbonii.

Hexafluorura de sulf (SF6) este un gaz inert, neinflamabil, stabil

chimic până la 1000C, de 5 ori mai greu decât aerul, cu temperatura de

fierbere scăzută şi cu conductivitatea termică mai mare, vâscozitate mai

redusă şi căldură specifică apropiată de cea a aerului. Datorită sulfului pe

care-l conţine, SF6 atacă materialele active (Cu, Al, Fe etc) iar gazele

rezultate din descompunerea sa sub acţiunea arcului electric sau a

descărcărilor corona sunt toxice şi corozive. Rigiditatea dielectrică (între

6,2 şi 7,04 MV/m) şi tensiunea de apariţie a descărcării corona sunt mai

mari decât ale aerului. Rigiditatea variază mai puţin cu distanţa între

electrozi decât la aer dar pentru distanţe peste 25 mm tensiunea de

străpungere este mai mare în curent continuu decât la frecvenţă

industrială; în câmp uniform este proporţională cu presiunea iar în câmp

neuniform scade dacă presiunea depăşeşte 1 atm. Datorită rigidităţii

ridicate şi capacităţii sale de răcire SF6 se utilizează ca izolator şi mediu

de răcire în transformatoare, ca izolator şi mediu de stingere a arcului

electric în întreruptoare de înaltă tensiune, în construcţia unor instalaţii

speciale (condensatoare şi transformatoare speciale, acceleratoare de

particule, microscoape electronice etc).

Perfluorcarbonii sunt derivaţi fluoruraţi (unii cloruraţi) ai

metanului, etanului şi propanului, în condiţii normale putând fi materiale

gazoase sau lichide. Gazele ca: perfluorpropanul (C3F8), perfluorbutanul

(C4F10), octafluorciclobutanul (c-C4 F8) au stabilitatea termică mai mare

decât SF6 (200...2500C), nu atacă metalele active şi se utilizează în

aparatele de înaltă tensiune care funcţionează la temperaturi ridicate.


118

Diclordifluormetanul (CCl2F2), care stă la baza produselor cu

denumirea comercială de freon, frigen, geneton este neinflamabil,

netoxic, cu rigiditate dielectrică apropiată de cea a SF6, dar cu

temperatură de fierbere scăzută (-280C) ceea ce-l face inutilizabil în

instalaţiile exterioare. Atacă unele materiale plastice organice (mase

plastice, cauciuc) şi este stabil termic până la 1500C. Se foloseşte în

construcţia frigiderelor cu compresiune.

2.9 Materiale electroizolante lichide

Materialele electroizolante lichide sunt acelea care, în timpul

exploatării, se găsesc în stare lichidă. Din această grupă fac parte uleiurile

electroizolante, care pot fi naturale (uleiul mineral, de ricin) sau sintetice

(clorurate, fluorurate, siliconice), diferite hidrocarburi aromatice (benzen,

toluen, esteri organici etc) utilizate ca solvenţi pentru lacurile

electroizolante.

2.9.1 Uleiul mineral

Uleiurile minerale sunt dielectricii lichizi cu cea mai mare

utilizare în industria electrotehnică. Se obţin prin distilare fracţionată din

ţiţei, urmată de o rafinare prin tratare cu acid sulfuric. Din punct de

vedere chimic, sunt amestecuri de hidrocarburi naftenice (>60%, acestea

fiind foarte stabile şi cu punct de congelare scăzut), aromatice (<30%,

deoarece conţin un număr mare de atomi de carbon care se eliberează sub

acţiunea arcului electric şi reduc proprietăţile uleiului) şi parafinice

(<30%, deoarece au punct de congelare ridicat şi determină o creştere a

vâscozităţii uleiului). După utilizările lor, se împart în: uleiuri de

transformator, de cablu şi de condensator.

Uleiul de transformator se utilizează în transformatoare ca izolant

şi mediu de răcire şi în întreruptoare de înaltă tensiune ca izolant şi mediu

de stingere a arcului electric. Este un material nepolar, cu permitivitate

redusă (r = 2,2...2,4) şi foarte puţin dependentă de temperatură şi

frecvenţă. Factorul de pierderi şi rigiditatea dielectrică depind mai mult


119

de temperatură, tg crescând sensibil cu creşterea temperaturii datorită

creşterii conductivităţii electrice.

Uleiul de cablu are ca şi caracteristică fundamentală vâscozitatea.

Ea este apropiată de cea a uleiului de transformator în cazul cablurilor cu

ulei sub presiune şi mult mai mare în cazul cablurilor cu gaz sub presiune

sau a celor izolate cu hârtie impregnată cu ulei. Uleiul utilizat la

impregnarea hârtiei trebuie să fie foarte fluid la temperatura de

impregnare (1300C) şi să aibă o vâscozitate mare la temperatura de

exploatare (400C...500C), ca să nu curgă din cablu. Pentru realizarea

acestei condiţii este amestecat cu 10% colofoniu - în cazul impregnării

hârtiei - sau cu poliizobutilenă - în cazul cablurilor cu gaz sub presiune.

Uleiul de condensator, utilizat ca dielectric în condensatoare de

capacităţi mari, are un înalt grad de rafinare ceea ce duce la pierderi

deosebit de mici (tg = 10-4...10-3) şi o rezistivitate ridicată (v

1011m).

Îmbătrânirea uleiului mineral este principalul dezavantaj

prezentat de acesta. Fenomenul este favorizat de următorii factori:

oxigenul, temperaturile ridicate, arcul electric, câmpurile electrice,

lumina, unele metale etc.

Oxigenul formează cu hidrocarburile din compoziţia uleiului acizi

liberi sau legaţi care corodează metalele active şi înrăutăţesc

caracteristicile izolaţiei aflate în ulei. Temperaturile ridicate favorizează

reacţiile chimice de descompunere a uleiului. Arcul electric descompune

uleiul în produse gazoase (65...75% H2 şi hidrocarburi), lichide (apă) şi

solide (negru de fum).

Câmpul electric - pe durată lungă - duce la disocierea moleculelor

de ulei, rezultând apoi produse insolubile în ulei (gudroanele sau mâlul).

Unele metale (Cu, Cd) constituie catalizatori ai reacţiilor de

descompunere a uleiului iar altele (Fe, Pb) reacţionează chimic cu acesta.

Gudroanele nu modifică proprietăţile esenţiale ale uleiului, însă, prin

depunerea pe suprafeţele înfăşurărilor şi a cuvelor transformatoarelor

îngreunează procesul de răcire. Produsele de descompunere gazoase şi

lichide înrăutăţesc proprietăţile electrice ale uleiului (v şi Estr scad, r şi

tg cresc). Gradul de îmbătrânire al uleiului se poate aprecia prin

următoarele criterii: factorul de pierderi, rigiditatea dielectrică,

rezistivitatea, indicele de aciditate, indicele de saponificare, temperaturile


120

de congelare şi inflamabilitate, vâscozitatea etc, care trebuie să nu

depăşească anumite limite.

Întreţinerea uleiului mineral constă în protejarea lui împotriva

umidităţii şi oxidării, curăţirea, uscarea şi regenerarea celor cu grad de

îmbătrânire ridicat. Pentru protejarea lui se utilizează perne de azot care

împiedică un contact direct între ulei şi oxigenul şi umiditatea din

atmosferă sau filtre cu silicagel, oxid de aluminiu, bauxită sau alţi

absorbanţi, utilizaţi pentru reducerea conţinutului de apă şi compuşi

insolubili. Prin introducerea unor aditivi antioxidanţi

(paraoxidifenilamina, fenildimetilaminopirazolan etc) se împiedică

desfăşurarea procesului de oxidare. În cazul în care, caracteristicile

uleiului s-au redus sub limitele admisibile, acesta este supus unui proces

de purificare şi regenerare. Purificarea elimină pe cale fizică impurităţile

formate în ulei şi constă în: decantare, când are loc depunerea apei şi a

impurităţilor cu masă moleculară mare; centrifugare, când se elimină

impurităţile cu greutate specifică mai mare decât a uleiului; filtrare,

pentru reţinerea impurităţilor mici, a apei, negrului de fum etc; uscare

prin pulverizarea în vid pentru eliminarea vaporilor de apă. Prin

regenerare, se elimină pe cale chimică produsele de îmbătrânire care

rămân în urma purificării (hidrocarburi nesaturate, acizi etc). Procedeele

de regenerare sunt aceleaşi ca cele folosite la rafinarea uleiului, adică

tratarea cu hidroxid de potasiu, acid sulfuric şi pământuri absorbante

(argilă, bauxită, silicagel, diatomită, oxizi şi silicaţi de aluminiu etc).

2.9.2 Uleiuri sintetice

Uleiurile sintetice tind să le înlocuiască pe cele minerale care, deşi

au proprietăţi dielectrice foarte bune şi preţ de cost redus prezintă

dezavantaje importante ca: îmbătrânire rapidă, imflamabilitate, pericol de

explozie, tendinţă de oxidare etc. În funcţie de compoziţia chimică,

uleiurile sintetice sunt: clorurate, fluorurate sau siliconice.

Uleiurile clorurate sunt derivaţi cloruraţi ai hidrocarburilor

aromatice (benzen clorurat, difenili cloruraţi etc) având diferite denumiri

comerciale: askareli, sovol, sovtol, clophen etc. Sunt substanţe polare,

neinflamabile, cu stabilitate chimică mare, nu se oxidează, dar se

descompun sub acţiunea arcului electric, gazele rezultate nu sunt

inflamabile dar sunt toxice şi corozive. Atacă lacurile pe bază de uleiuri

vegetale, dar sunt compatibile cu răşinile fenolice, poliuretanice,


121

epoxidice, celulozice etc. Sunt mai vâscoase decât uleiul mineral dar au

absorbţie de apă mai redusă.

Proprietăţile lor electrice depind de numărul de atomi de clor din

moleculă: prin creşterea acestui număr creşte temperatura de congelare,

deci şi vâscozitatea şi sunt influenţate şi proprietăţile dielectrice. Cea mai

mică valoare a factorului de pierderi o prezintă pentaclordifenilul (cel

mai utilizat ulei clorurat). Uleiurile clorurate sunt utilizate ca dielectric în

condensatoare, având r mare (r = 5...6) şi ca izolant în transformatoare,

pentru că au Estr mare (Estr = 20...22 MV/m, faţă de 12...15 MV/m la cel

mineral) şi sunt neinflamabile.

Uleiurile fluorurate (hidrocarburi fluorurate, eteri şi esteri

fluoruraţi etc) au proprietăţi dielectrice foarte bune, nu ard şi nu prezintă

pericol de explozie, nu produc gaze toxice şi corozive, au temperatura de

fierbere mai scăzută decât a uleiurilor clorurate şi absorbţie de apă mai

redusă, dar sunt foarte scumpe. Se utilizează doar în transformatoare şi

întreruptoare care funcţionează în condiţii speciale.

Uleiurile siliconice (dimetilsiloxani liniari) au proprietăţi

dielectrice apropiate de ale uleiului mineral, absorbţia de apă este mai

mică şi temperatura de inflamabilitate ridicată (350...4750C). Se

utilizează în construcţia transformatoarelor speciale, pentru ungerea

mecanismelor din mase plastice, a matriţelor pentru turnarea maselor

plastice etc.

2.10 Materiale electroizolante solide

Grupa materialelor electroizolante solide fiind foarte mare, se

impune o subclasificare a lor după compoziţia chimică în: organice,

anorganice şi de trecere. Cele organice fiind foarte numeroase se mai

clasifică şi în funcţie de mărimea moleculelor în: micromoleculare (cu

sub 1000 de atomi în moleculă) şi macromoleculare (1000 de

atomi/moleculă).

2.9.1 Materiale organice micromoleculare

Această grupă de materiale cuprinde cerurile şi substanţele

ceroase şi bitumurile şi asfalturile.


122

Cerurile şi substanţele ceroase. Cerurile sunt substanţe

micromoleculare cristaline cu proprietăţi dielectrice foarte bune,

higroscopicitate redusă dar cu proprietăţi mecanice şi termice slabe.

Prezintă contracţie mare la răcire şi sunt solubile în uleiuri minerale şi în

uleiuri clorurate. Cerurile naturale (ceara de albine, montană, de

carnauba) sunt mai puţin utilizate datorită temperaturii de înmuiere

scăzute şi a proprietăţilor mecanice slabe. Sunt utilizate, îndeosebi,

substanţele ceroase nepolare (vaselina, parafina, cerezina, ozocherita) -

cu proprietăţi dielectrice foarte bune - sau polare (parafina şi naftalina

clorurată, uleiul de ricin hidrogenat etc) - cu proprietăţi dielectrice mai

slabe şi dependente de temperatură. Se utilizează la fabricarea unor mase

de impregnare pentru conductoare, condensatoare, a maselor de umplere

a manşoanelor cablurilor şi cutiilor terminale, la protejarea unor piese

(contacte de cupru, piese de oţel) contra oxidării.

Bitumuri şi asfalturi. Bitumurile sunt amestecuri amorfe de

hidrocarburi obţinute la distilarea ţiţeiurilor care conţin cantităţi reduse de

oxigen şi sulf. Asfalturile sunt materiale naturale ce provin din zăcăminte

învecinate cu cele de ţiţei.

Sunt substanţe nehigroscopice, fragile, cu contracţie mare la

răcire, temperatură de înmuiere scăzută (între 50 şi 1500C), insolubile în

alcooli şi apă dar solubile în hidrocarburi aromatice, uleiuri, benzină. Se

utilizează la fabricarea lacurilor de impregnare, a compoundurilor, ca

mase de umplere a manşoanelor sau cutiilor terminale de cabluri etc.

2.10.2 Materiale organice macromoleculare

Cele mai utilizate materiale din această categorie sunt: răşinile

naturale, răşinile sintetice, celuloza şi derivaţii săi şi cauciucurile şi

elastomerii.

2.10.2.1 Răşini naturale

Răşinile naturale sunt amestecuri complexe de acizi răşinoşi şi

hidrocarburi, cu indici de aciditate foarte mari şi proprietăţi dielectrice

foarte bune dar caracteristici mecanice şi termice reduse.


123

Şellacul utilizat în electrotehnică, se obţine prin retopirea şi

purificarea răşinii obţinute ca produs al unor larve care trăiesc pe

ramurile şi frunzele unor arbori de cauciuc din India. Este deci de origine

animală, se prezintă sub formă de solzi de culoare brun - roşcată, este

solubil în alcooli şi benzen şi are temperatură de înmuiere foarte redusă

(50...600C). Prin tratament termic la 1000C timp de 30 de ore se poate

creşte temperatura de înmuiere iar prin încălzire la 2000C el devine

termorigid.

Şellacul este utilizat ca bază pentru lacurile pe bază de şellac sau

oleobituminoase folosite pentru acoperirea sau emailarea conductoarelor,

dar în special ca lac de lipire pentru produse pe bază de mică. Un avantaj

al şellacului îl reprezintă buna sa rezistenţă la curenţii de scurgere pe

suprafaţă.

Colofoniul se obţine prin distilare din răşina coniferelor, după

înlăturarea terebentinei. Este o substanţă sticloasă, de culoare gălbuie

care se dizolvă greu în ulei la temperatura camerei dar uşor la

300...3500C, solubilă, însă, în benzen, acetonă etc. Se utilizează la

fabricarea masei galbene (cu ulei de cablu) folosită la impregnarea hârtiei

de cablu, precum şi la umplerea manşoanelor de legătură şi a cutiilor

terminale de cabluri.

Chihlimbarul este o răşină fosilă foarte dură, prezentându-se sub

formă de bucăţi. Are rezistivităţi de volum şi de suprafaţă de valori foarte

mari şi se utilizează pentru fabricarea de piese izolante pentru aparate de

măsură foarte precise (de exemplu: electrometre).

2.10.2.2 Răşini sintetice

Caracteristici generale. Datorită proprietăţilor electrice şi

mecanice deosebite, precum şi a faptului că se prelucrează uşor, răşinile

sintetice prezintă cele mai diverse aplicaţii industriale. Numărul mare şi

marea lor diversitate face necesară o subclasificare a lor.

În funcţie de tipul reacţiei chimice de obţinere, răşinile sintetice se

clasifică în: răşini de polimerizare, de policondensare şi de poliadiţie.

Reacţia de polimerizare constă în legarea - sub acţiunea căldurii

şi presiunii şi în prezenţa unui catalizator - moleculelor monomerului şi

formarea unor macromolecule liniare, fără eliminare de produse


124

secundare. Este o reacţie în lanţ, energia necesară pentru iniţierea reacţiei

fiind superioară celei necesare pentru continuarea procesului de reacţie.

Reacţia de policondensare este o reacţie în trepte (energia

necesară legării monomerilor fiind aceeaşi în orice etapă de desfăşurare a

reacţiei) prin care se leagă monomerii (cel puţin bifuncţionali) între ei -

sub acţiunea căldurii, presiunii şi în prezenţa catalizatorilor -

obţinându-se reţele de molecule sau molecule spaţiale. Este o reacţie cu

eliminare de produse secundare: H2O, H2 etc, ceea ce conferă

policondensatelor porozitate şi higroscopicitate mai mari şi deci,

proprietăţi dielectrice mai reduse.

Reacţia de poliadiţie este tot o reacţie în trepte dar fără eliminare

de produse secundare de reacţie.

O altă clasificare se face ţinându-se seama de proprietăţile

termomecanice, strâns legate de structura macromoleculelor, în: răşini

termoplastice şi răşini termorigide.

Materialele care sub acţiunea temperaturii se înmoaie (la anumite

temperaturi se pot chiar topi) şi la răcire revin la proprietăţile iniţiale se

numesc materiale termoplastice.

La termorigide prin creşterea temperaturii se desfac toate

legăturile duble rămase nedesfăcute în timpul reacţiei de obţinere a răşinii

şi apar “punţi” de legătură între macromolecule, ceea ce determină o

reducere a plasticităţii. Această modificare este ireversibilă (“punţile” nu

dispar la răcire).Proprietăţile esenţiale ale acestor răşini sunt date în

tabelul 2.3.

Tabelul 2.3

Termoplastice Termorigide

-au macromolecule liniare -au macromolecule spaţiale sau reţele

moleculare

-sunt flexibile şi elastice -sunt dure şi casante

-se pot trage în fire sau folii -nu se pot trage în fire sau folii

-se dizolvă în solvenţi -nu se dizolvă în solvenţi (cel mult se umflă)

-au proprietăţi electrice bune -au proprietăţi electrice slabe

-au prorietăţi mecanice slabe -au proprietăţi mecanice mai bune

-au absorbţie de apă redusă -.au absorbţie de apă mare (sunt

higroscopice)

În funcţie de caracterul polar sau nepolar al moleculelor, răşinile

sintetice se împart în: răşini polare şi nepolare. Această clasificare este

importantă pentru evidenţierea proprietăţilor lor dielectrice. Cele


125

nepolare au valori mici ale permitivităţii şi factorului de pierderi,

independente de frecvenţă şi cu o variaţie foarte mică în funcţie de

temperatură (scad uşor la creşterea tmperaturii). Răşinile polare au valori

mari ale lui r şi tg, care se modifică mult cu temperatura şi frecvenţa.

O clasificare a răşinilor sintetice este redată în figura 2.44.

1. Răşini de polimerizare. Sunt substanţe termoplastice cu

macromolecule liniare, cu temperatură de înmuiere scăzută (cu excepţia

fluoroplastelor), cu absorbţie de apă redusă, proprietăţi dielectrice foarte

bune şi proprietăţi mecanice slabe. Se prelucrează uşor cu sau fără

plastifianţi.

Polistirenul (PS) se obţine prin polimerizarea stirenului (vinil-

benzen), lichid incolor şi transparent cu puternică tendinţă de

polimerizare. Pentru a nu polimeriza singur, chiar la temperatura camerei,

Fig.2.44 Clasificarea răşinilor sintetice


126

se utilizează stabilizatori, care permit obţinerea de polimeri cu gradul de

polimerizare dorit.

Macromoleculele obţinute sunt

liniare, cu structură - în general -

simetrică (fig. 2.45), deci

polistirenul este o răşină

nepolară. Fiind un material

nepolar cu macromolecule

liniare polistirenul prezintă

proprietăţi dielectrice (r, tg,

v) foarte bune (v 1016m) şi independente de temperatură şi frecvenţă

dar are temperatura de înmuiere şi rezilienţa scăzute şi este inflamabil.

Este un material inodor, insipid, în general transparent, putând fi colorat

uşor şi are o bună stabilitate la acizi şi baze şi este atacat de solvenţi

organici.

Datorită rezistivităţii mari polistirenul este utilizat îndeosebi în

domeniul frecvenţelor înalte, sub formă de piese, tuburi, plăci, folii sau

fire, precum şi sub formă de materiale expandate sau pentru fabricarea

unor lacuri de acoperire. Piesele din polistiren se lipesc uşor cu soluţii de

polistiren în solvenţi potriviţi. Se execută din PS carcase de bobine,

socluri pentru tuburi electronice, scale, capace, cutii de acumulatoare,

diverse piese în televizoare, aparate radio şi de măsură (în locul

chihlimbarului).

Firele şi foliile de PS au dezavantajul că temperatura lor de

utilizare este scăzută (70...800C). Foliile de grosimi între 10 şi 150 m

sunt utilizate pentru izolarea cablurilor de înaltă frecvenţă şi ca dielectric

pentru condensatoare iar firele (cu = 10...25m) se utilizează pentru

izolarea, prin înfăşurare sau tresare, a conductoarelor şi cablurilor de

înaltă frecvenţă.

Poroplastele (materialele expandate) se utilizează ca izolant

termic sau sub formă de benzi la izolarea conductoarelor şi a cablurilor

de înaltă frecvenţă.

Polietilena (PE) este un material cu aspect asemănător parafinei,

de culoare albă lăptoasă. Se obţine prin polimerizarea etilenei la presiune

înaltă (1000...2000 atm) - rezultând un material de mică densitate - sau la

presiune normală (1atm) - când rezultă o PE de mare densitate (fig. 2.46).

Fig.2.45 Structura chimică a polistirenului


127

Polietilena are molecule liniare

şi simetrice, fiind deci un

material termoplast nepolar.

Cea de mică densitate are

structură parţial cristalină şi

proprietăţi mecanice mai reduse

decât cea de mare densitate care

are un înalt grad de cristalinitate

(85%) ceea ce îi conferă duritate

mare, temperatură de înmuiere

mai ridicată şi o comportare mai bună la temperaturi scăzute (-400C).

Proprietăţile dielectrice sunt foarte bune (r =2,3; tg=(1...10)10-4 ; v =

1013...1016m; Estr=20...50MV/m) independente de frecvenţă şi

temperatură, este nehigroscopică, se prelucrează uşor dar nu se poate lipi

ci doar suda. Are o stabilitate bună la acizi şi baze, mai slabă la solvenţi

organici şi este inflamabilă.

Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor termomecanice polietilena

se reticulează (se efectuează o legare a lanţurilor moleculare între ele) fie

pe cale chimică - cu peroxid de dicumil - sau prin iradiere cu radiaţii

sau . Astfel creşte temperatura de înmuiere şi proprietăţile mecanice,

cele dielectrice rămânând practic neschimbate. Alţi produşi ai etilenei ca

poliizobutilena, polipropilena, polietilena clorosulfonată au fie o

rezistenţă mai bună la temperaturi joase sau temperaturi de utilizare mai

mari dar proprietăţile dielectrice sunt mai slabe.

Foliile de polietilenă având o absorbţie de apă şi permeabilitate la

vaporii de apă foarte mică se utilizează pentru izolarea cablurilor

submarine, a celor telefonice sau a celor utilizate în medii chimic

agresive, precum şi ca dielectric pentru condensatoare.

PE este utilizată şi ca izolaţie de conductoare şi cabluri, obţinută

prin extrudere, aceasta fiind cea mai largă utilizare a ei. Se izolează astfel

conductoare de bobinaj pentru motoare ce funcţionează sub apă, conducte

şi cabluri pentru medii chimic agresive, cabluri submarine, de înaltă

frecvenţă sau de energie. Polietilena expandată se utilizează pentru

izolarea cablurilor de înaltă frecvenţă cu capacităţi foarte mici etc.

În cazul cablurilor de energie de tensiuni înalte, datorită apariţiei

unor fenomene negative (oxidare, descărcări electrice, deformări

mecanice în urma scurcircuitelor etc) care duc la îmbătrânirea rapidă a

Fig. 2.46 Structura chimică a polietilenei


128

polietilenei, se introduc în răşină antioxidanţi, inhibitori pentru descărcări

electrice arborescente etc.

Răşini vinilice. Din grupul răşinilor vinilice cei mai importanţi

reprezentanţi sunt: policlorura de vinil (PVC), policlorura de viniliden,

polivinilalcoolii şi polivinilacetalii etc (fig. 2.47)

Policlorura de vinil (PVC) se obţine prin polimerizarea clorurii de

vinil sub formă de PVC dur - fără plastifianţi - sau PVC moale - cu

plastifianţi. Masa de izolaţie utilizată în electrotehnică conţine, pe lângă

răşina pură, plastifianţi, stabilizatori, materiale de umplutură şi coloranţi.

Ca urmare a caracterului polar al răşinii, PVC-ul are proprietăţi

dielectrice mult mai slabe decât PS sau PE şi dependente de frecvenţă şi

temperatură. Ele sunt mai bune la PVC-ul tare. Are proprietăţi apropiate

de ale cauciucului cu factorul de pierderi mai mare şi stabilitatea termică

mai redusă dar cu o rezistenţă mai bună la îmbătrânire.

PVC-ul se foloseşte, în general, la frecvenţe industriale: în curent

continuu datorită electrolizei sărurilor din materialele de adaos

îmbătrâneşte repede iar la frecvenţe ridicate prezintă pierderi dielectrice

mari. Este utilizat pentru izolarea conductoarelor şi cablurilor de energie

(între 1 şi 20 kV) sub formă de folii sau izolaţie obţinută prin extrudere,

la fabricarea izolaţiilor de crestătură (în combinaţie cu preşpan), a

benzilor adezive, a unor piese izolante (cutii, capace pentru aparate de

măsură şi acumulatoare, plăci separatoare pentru acumulatoare, suporturi

de bobine, benzi de magnetofon, discuri etc), tuburi pentru instalaţii

electrice, pentru acoperirea pieselor de formă complicată (sub formă de

plastisoli şi organisoli - suspensii de PVC în plastifianţi).

Fig. 2.47 Structura chimică a răşinilor vinilice


129

Policlorura de viniliden are proprietăţi dielectrice asemănătoare

cu cele ale PVC-ului, dar higroscopicitate mai redusă şi stabilitate

termică superioară.

Polivinilalcoolii au proprietăţi electrice bune dar puternic

dependente de absorbţia de apă. Se utilizează pentru fabricarea unor mase

izolante pentru cabluri de înaltă tensiune şi ca materiale antistatice

(împiedică încărcarea electrostatică a unor materiale plastice).

Polivinilacetalii sunt utilizaţi ca bază pentru lacuri de emailare.

Fluoroplaste. Cele mai utilizate sunt politetrafluoretilena (PTFE)

şi polimonoclortrifluoretilena (PCTFE).

Politetrafluoretilena se obţine prin polimerizarea

tetrafluoretilenei (fig. 2.48) sub forma unui praf cu aspect ceros, de

culoare alb - cenuşie. Structura macromoleculelor este asemănătoare cu a

celor de polietilenă, deci sunt molecule liniare şi simetrice.

PTFE este un material

termoplastic nepolar, cu

proprietăţi dielectrice foarte

bune şi nu arde. Datorită

valorilor mari ale energiei de

legătură dintre atomii de

carbon şi fluor, PTFE are

stabilitate termică ridicată

(2500C). La 3270C trece în

stare amorfă şi la 4000C se descompune, rezultând gaze toxice. Are

coeficientul de dilataţie liniară ridicat şi din această cauză, la variaţii mari

de temperatură apar în PTFE microgoluri în care se pot dezvolta

descărcări parţiale. Din acest motiv PTFE nu se poate utiliza în câmpuri

electrice intense. Are stabilitate chimică foarte bună la acizi, baze şi la

oxidare. Se prelucrează greu şi este scumpă.

PTFE este utilizată ca material izolant în aplicaţii unde se cere o

bună stabilitate termică, mare stabilitate chimică şi la oxidare, chiar în

condiţii de umiditate ridicată, atât la frecvenţe industriale cât şi la

frecvenţe înalte, dar la tensiuni până la 2000 V. Se fabrică din PTFE cutii

de acumulatoare, carcase pentru bobine, treceri izolante, bobine, ţevi,

folii utilizate pentru izolarea cablurilor de înaltă frecvenţă şi ca dielectric

pentru condensatoare.

PCTFE este un material termoplastic, cu proprietăţi dielectrice

mai slabe cu temperatura de stabilitate termică mai redusă (126...1500C),

Fig. 2.48 Structura chimică a politetra-

flouretilenei (PTFE)


130

dar cu o comportare mai bună la descărcările parţiale şi se prelucrează

mai uşor. Are utilizări asemănătoare cu PTFE şi este tot scumpă.

Răşini acrilice (polimetilacrilatul, polimetilmetacrilatul -

PMMA). Sunt polimeri ai acidului acrilic şi metacrilic. Se obţin în

diverse variante, de la răşini moi, elastice (plexigum) până la răşini tari

(plexiglas).

Proprietăţile mecanice şi termice ale răşinilor acrilice sunt

asemănătoare cu cele ale polistirenului, ceva mai bune însă în ceea ce

priveşte rezilienţa şi temperatura de utilizare. Proprietăţile electrice sunt

mai slabe datorită caracterului lor polar, dar rezistenţa la descărcări

parţiale e mai bună. Sunt rezistente la ozon, lumină şi au o bună

stabilitate chimică. Coeficientul de transmisie al luminii este foarte bun,

iar transparenţa la raze ultraviolete este mai bună decât a sticlei.

Răşinile acrilice moi se utilizează la fabricarea de lacuri şi

adezivi, dar şi sub formă de folii sau fire. Cele tari sunt folosite în locul

sticlelor, constituind aşa-zisele sticle organice, pentru capace, cutii

transparente pentru diverse aparate, scale de măsură, camere de stingere

pentru întrerupătoare etc. Deşi se zgârâie uşor ele au rezistenţa de şapte

ori mai mare decât a sticlelor.

2. Răşini de policondensare. Din grupa răşinilor de

policondensare fac parte atât răşini cu molecule liniare, deci termoplaste

(poliamide, poliimide, policarbonaţi, poliesteri cu molecule liniare) cât şi

răşini cu molecule spaţiale, deci termorigide (fenoplaste, aminoplaste,

poliesteri cu molecule spaţiale). Datorită eliminării apei în procesul de

reacţie, răşinile de policondensare au higroscopicitate mai mare

caracteristici dielectrice mai reduse decât cele de polimerizare sau

poliadiţie, fiind şi dependente de temperatură şi frecvenţă.

Fenoplastele sunt răşini fenol-formaldehidice (sau crezol-

formaldehidice) obţinute prin policondensarea fenolului (sau crezolului)

cu formaldehidă. Au fost descoperite de Bacheland (în 1907) şi de aceea

sunt cunoscute sub denumirea de bachelite.

În cazul condensării fenolului cu formaldehidă în mediu alcalin,

în procesul de reacţie se disting trei faze, produsele obţinute în fiecare

fază având proprietăţi şi utilizări diferite.

Rezolul (bachelita A) corespunde stadiului iniţial al reacţiei şi este

solubil în alcool şi alţi solvenţi polari, este termoplastic şi se utilizează ca

lac de impregnare.


131

Rezitolul (bachelita B) este termoplast, mai puţin solubil şi se

utilizează ca masă de formare.

Rezitul (bachelita C) constituie stadiul final al reacţiei de

policondensare (când apar reţele moleculare). Este insolubil, dur, cu

rezistenţă mare la căldură şi acizi şi se utilizează pentru obţinerea unor

piese izolante prelucrabile prin aşchiere.

Bachelitele sunt răşini polare, higroscopice, cu caracteristici

dielectrice slabe şi cu rezistenţă mică la acţiunea arcului electric şi la

curenţii de scurgere pe suprafaţă (rezistivitatea de suprafaţă s este mică).

Nu întreţin arderea şi pot fi utilizate la temperaturi ridicate (150...2000C)

în cazul utilizării de umpluturi anorganice. Se folosesc la temperaturi

joase şi frecvenţă industrială ca lacuri de impregnare sau lipire şi ca mase

de turnare sau presare (pentru fişe, prize, carcase pentru aparate de

măsură şi telefonice, produse de formă complicată sau înglobări de piese

metalice).

Aminoplastele se obţin prin policondensarea aldehidei formice cu

carbamidă (uree), melamină sau anilină, rezultând răşini carbamidice,

melaminice sau anilinice.

Răşinile carbamidice au proprietăţi asemănătoare cu ale

bachelitelor dar o comportare mai bună la acţiunea curenţilor de scurgere

pe suprafaţă şi la arc electric.

Răşinile melaminice au higroscopicitatea mai redusă decât a

bachelitelor şi stabilitatea termică superioară.

Răşinile anilinice au proprietăţi electrice foarte bune, dar se

prelucrează greu. Se pot utiliza şi la frecvenţe înalte.

Aminoplastele au utilizări asemănătoare fenoplastelor, din ele

realizându-se camere de stingere pentru întrerupătoare, adezivi, lacuri,

lianţi pentru stratificate etc.

Poliamidele sunt, în funcţie de structura chimică, de tip nylon,

perlon, capron sau relon. Sunt materiale termoplastice, puternic polare, cu

stabilitate termică (1050C) mai mare decât a răşinilor de polimerizare şi

se topesc la creşterea temperaturii. Proprietăţile dielectrice sunt slabe, au

higroscopicitate mare dar proprietăţile mecanice sunt foarte bune

(duritate mare, rezistenţă mare la abraziune, rezistenţă de rupere ridicată,

rezilienţă mare, coeficient de frecare foarte mic etc). Se lipesc şi se

colorează uşor şi se aprind greu. Sunt utilizate pentru confecţionarea

diferitelor piese cu rezistenţă mecanică mare (roţi dinţate, role, lagăre


132

etc), sub formă de folii (pentru izolarea cablurilor, ca dielectric pentru

condensatoare, izolaţie de crestătură), fire şi ţesături (pentru stratificate),

hârtii, lacuri electroizolante etc.

Poliimidele au proprietăţi mecanice bune şi constante în limite

largi de temperatură, stabilitate termică ridicată (1500C) şi caracteristici

electrice bune. Se utilizează îndeosebi sub formă de folii (izolaţie pentru

cablurişi conductoare sau dielectric pentru condensatoare) şi de lacuri de

emailare a conductoarelor.

Policarbonaţii sunt materiale transparente cu absorbţie de apă

mică, rezistenţă mecanică bună atât la temperaturi ridicate (1350C) cât şi

la temperaturi scăzute (-900C) şi cu rezistenţă mare la agenţii atmosferici.

Sub formă de folii sunt utilizaţi la izolaţia de crestătură, izolaţia

bobinelor aparatelor, ca dielectric pentru condensatoare etc.

Poliesterii se obţin prin policondensare din alcooli şi acizi. Dacă

alcoolii şi acizii ce iau parte la reacţie posedă câte două grupe funcţionale

pe moleculă se obţin poliesteri cu molecule liniare şi dacă au mai multe

se obţin poliesteri cu molecule spaţiale.

Tereftalatul de polietilenă (PET) este materialul cel mai cunoscut

din această grupă. Este un poliester cu molecule liniare, termoplast, cu

proprietăţi dielectrice şi termice foarte bune (Estr=100...200MV/m, r=3;

tg=0,004...0,2; v=1015...1017m; tu=130...1500C). Foliile de PET au o

foarte bună rezistenţă la întindere şi sfâşiere, absorbţie de apă redusă,

rezistenţă bună la microorganisme, uleiuri minerale, acizi şi lacuri de

impregnare dar îmbătrânesc rapid sub acţiunea descărcărilor parţiale.

Cunoscute sub denumirile comerciale de hostphan, mylar etc, sunt

utilizate ca dielectric pentru condensatoare, la izolarea conductoarelor, la

fabricarea izolaţiei de crestătură combinată (preşpan-hostphan-preşpan), a

produselor pe bază de mică etc.

3. Răşini de poliadiţie. Aceste răşini sunt atât termoplastice

(poliuretani cu molecule liniare) cât şi termorigide (răşini epoxidice şi

poliuretani cu molecule spaţiale).

Răşinile epoxidice sunt polimeri termorigizi care conţin mai

multe grupări epoxi de mare reactivitate. După obţinerea din bifenol şi

epiclorhidrină, urmează o reticulare (durificare) cu un agent de întărire

(durificator) care poate fi bazic (amine sau alte combinaţii organice

bazice) sau acid (anhidridă, acid organic etc). La durificare se distruge

gruparea epoxi, agentul de întărire se fixează şi se formează


133

un polimer cu masă moleculară ridicată: răşina epoxi propriu - zisă.

Aceste răşini au contracţie mică la răcire, se prelucrează uşor, nu prezintă

tensiuni interne şi nici microgoluri sau bule de gaz şi aderă foarte bine la

suprafeţele metalelor, ceramicelor, maselor plastice etc. Sunt

neinflamabile, rezistente la acţiunea curenţilor de scurgere pe suprafaţă, a

agenţilor chimici şi au stabilitate termică bună. Proprietăţile mecanice şi

electrice sunt foarte bune dar dependente de temperatură şi frecvenţă. Se

utilizează ca răşini de turnare (pentru cutii terminale de cabluri, camere

de stingere, izolatoare de înaltă tensiune), ca răşini de presare (izolaţie de

crestătură, piese fără eforturi interne), răşini de impregnare (pentru

stratificate, sisteme de izolaţie), răşini de lipire, la emailarea

conductoarelor etc.

Poliuretanii. Cei cu molecule spaţiale au proprietăţi

asemănătoare fenoplastelor dar cu higroscopicitate mai mică şi rezistenţă

mai mare la acţiunea arcului electric şi a curenţilor de scurgere pe

suprafaţă.

Poliuretanii cu molecule liniare au proprietăţi asemănătoare cu

poliamidele dar au absorbţia de apă mai mică.

Poliuretanii se utilizează la izolarea cablurilor (sub formă de

folii), la fabricarea lacurilor de emailare, a elastomerilor, a poroplastelor

etc.

2.9.2.3. Celuloza şi derivaţii săi

Celuloza este un hidrat de carbon polimer (C6H10O5)n cu

n=1000...2000. Se obţine din lemn de conifere, bumbac, in cânepă, iută

etc prin procedeul acid (fierberea lemnului de brad mărunţit într-o soluţie

acidă de bisulfit de sodiu) când se obţine celuloza sulfit sau prin

procedeul bazic (fierberea se face într-o soluţie de sulfat de sodiu şi

hidroxid de sodiu) obţinându-se celuloza sulfat. Printr-un procedeu bazic

modificat se obţine celuloza “kraft” cu proprietăţi mecanice deosebit de

bune.


134

Lanţurile moleculare ale celulozei se grupează în micele (tuburi

subţiri) care se aranjează în acelaşi mod formând fibrile şi apoi fibre

celulozice (fig. 2.49). Această structură explică porozitatea (40...50%) şi

absorbţia de apă foarte mare a produselor pe bază de celuloză. Din acelaşi

motiv proprietăţile dielectrice (r şi tg) sunt reduse şi dependente de

densitate, conţinutul de umiditate, temperatură şi frecvenţă. Fiind un

material polar permitivitatea relativă şi factorul de pierderi au valori mari

(r = 6,7...7 şi tg = 0,005...0,01).

Îmbătrâneşte sub acţiunea sub acţiunea oxigenului şi a căldurii.

Oxigenul favorizează reacţiile chimice ale celulozei cu apa, în urma

cărora creşte numărul de grupări polare (OH) şi se reduc proprietăţile

dielectrice. Căldura are ca efect creşterea acidităţii, scăderea vâscozităţii

etc.

Pentru reducerea higroscopicităţii celuloza se impregnează şi în

acest caz proprietăţile electrice sunt dependente de natura

impregnantului.

Celuloza este un material ieftin şi uşor prelucrabil.

Produsele pe bază de celuloză sunt mult utilizate în

electrotehnică. Acestea sunt: hârtia de cablu, hârtia de condensator, hârtia

Kraft, hârtia japoneză, preşpanul, firele şi ţesăturile etc.

Hârtia de cablu are densitate mică (pentru a putea fi impregnată

cu masă galbenă), rezistenţă mare la întindere şi sfâşiere, rigiditate

dielectrică mare şi factor de pierderi mic. Se utilizează la izolarea

cablurilor de energie, a conductoarelor de bobinaj etc.

Hârtia de condensator este mai subţire, omogenă, densă, cu

rigiditate dielectrică mare, factor de pierderi scăzut, permitivitate şi

rezistivitate electrică mare. Se utilizează - impregnată cu ulei sau

substanţe ceroase - ca dielectric pentru condensatoare.

Fig. 2.49 Gruparea moleculelor de celuloză


135

Hârtia Kraft are proprietăţi mecanice, electrice şi termice foarte

bune.

Hârtia japoneză are fibre lungi, textură neregulată şi rezistenţă

mecanică mare. Este utilizată ca suport pentru produsele pe bază de mică.

Preşpanul (cartonul electrotehnic) este un carton pe bază de

celuloză fină (grosimi de 0,5...7mm), format din numeroase straturi de

hârtie foarte fină, presate în stare umedă. Are rezistenţă mecanică mare,

este rezistent la ulei mineral şi se utilizează ca izolaţie de crestătură, la

izolarea transformatoarelor etc.

Firele şi ţesăturile celulozice se obţin din bumbac, mătase

naturală sau artificială şi se utilizează la izolarea conductoarelor, a

bobinelor pentru maşini şi aparate electrice, pentru fabricarea

stratificatelor, a tecilor izolante (tuburi linoxinice) etc.

Derivaţi ai celulozei. Se obţin prin modificarea chimică a

moleculelor de celuloză rezultând esteri (acetaţi, nitraţi etc) sau eteri

(etil- şi benzilceluloza) ai celulozei, produse cu higroscopicitate mai mică

şi proprietăţi dielectrice şi termice superioare. Dintre acestea sunt

utilizate în special triacetatul de celuloză şi benzilceluloza.

Triacetatul de celuloză este rezistent la ozon, descărcări parţiale,

ulei şi benzină şi are o stabilitate termică bună. Se utilizează la izolarea

cablurilor, ca dielectric pentru condensatoare, la fabricarea lacurilor şi

maselor de turnare etc.

Benzilceluloza se înmoaie la 800C, se topeşte la 180...2000C, este

solubilă în hidrocarburi aromatice şi are higroscopicitate redusă. Se

utilizează ca masă de presare şi la fabricarea lacurilor electroizolante.

2.9.2.4 Cauciucuri şi elastomeri

Cauciucurile sunt materiale cu elasticitate mare care se

deformează uşor şi îşi recapătă dimensiunile iniţiale la anularea solicitării

mecanice; în stare tensionată prezintă tendinţa de cristalizare. Sunt

cauciucuri naturale şi cauciucuri sintetice.

Elastomerii sunt polimeri cu forţe intermoleculare slabe. Se

deformează uşor, revin greu (foarte încet) la starea iniţială şi nu prezintă

tendinţa de cristalizare în stare tensionată.

Cauciucul natural se extrage din latex (sucul arborilor de

cauciuc) şi este un polimer natural cu un grad de polimerizare între 2000


136

şi 4000. Are proprietăţi dielectrice foarte bune dar proprietăţile termice şi

mecanice sunt slabe. Prezintă importanţă pentru industrie numai

vulcanizat. Prin vulcanizare - legarea macromoleculelor între ele cu punţi

de sulf - şi prin adăugare de negru de fum se reduce tendinţa de

cristalizare, proprietăţile dielectrice şi elasticitatea dar se îmbunătăţesc

caracteristicile mecanice şi termice. Conţinutul de sulf poate varia între

4% (la cauciucul moale) şi 45% (la ebonită). Cauciucul natural este atacat

de oxigen, ozon (se introduc antioxidanţi pentru diminuarea acţiunii

acestora), de ulei mineral, solvenţi oxigenaţi sau halogenaţi. Substanţele

de adaos (sulf, negru de fum, antioxidanţi etc) înrăutăţesc proprietăţile

electrice: permitivitatea şi factorul de pierderi cresc, rigiditatea dielectrică

şi rezistivitatea electrică scad.

Ebonita (cauciucul tare) are proprietăţi electrice satisfăcătoare şi

rezistenţă mecanică relativ mare. La 1000C îşi pierde rigiditatea mecanică

şi la 2000C se topeşte.

Cauciucul vulcanizat se utilizează la izolarea conductoarelor şi a

cablurilor flexibile, a cablurilor pentru instalaţii de interior, a benzilor

adezive de joasă tensiune. Nu se utilizează la înaltă tensiune (fiind atacat

de ozon) şi nici în medii care conţin ulei mineral, solvenţi oxigenaţi sau

halogenaţi.

Cauciucurile sintetice au caracteristicile dielectrice mai slabe

decât ale celui natural dar proprietăţile mecanice şi termice sunt mai bune

şi prezintă o rezistenţă mai mare la solvenţi, uleiuri etc.

Cauciucurile pe bază de butadienă sunt: Cauciucul Buna

(obţinut prin polimerizarea dimetilbutadienei), cauciucul Buna S, Buna

SS (din butadienă şi stiren), neoprenul sau cloroprenul (din

clorbutadienă) şi perbunanul (din butadienă şi acrilnitrili). Acestea se

vulcanizează mai greu decât cauciucul natural, au rezistenţă la rupere şi

sfâşiere mai mică, dar sunt mai rezistente la oxidare, căldură şi au durată

de viaţă mult mai mare. Perbunanul şi neoprenul pot fi utilizaţi la 2200C.

Se utilizează la confecţionarea mantalelor de cabluri ce funcţionează în

medii umede, toxice etc. Perbunanul - material semiconductor - este

folosit la fabricarea curelelor de transmisie (de fricţiune) pentru că nu

acumulează sarcină electrostatică.

Cauciucurile din poliacrilaţi sunt rezistente la oxigen, ozon, ulei

şi au temperatura de utilizare până la 1500C. Tiocolul, perdurenul şi

rezinita au proprietăţi dielectrice reduse dar sunt rezistente la ulei, apă,


137

ozon şi sunt utilizaţi la izolarea cablurilor de alimentare a lămpilor

fluorescente, la autovehicule, în instalaţii Röentgen etc.

Cauciucurile siliconice sunt polisiloxani cu molecule liniare şi

prezintă o rezistenţă bună la ozon, solvenţi şi la curenţii de scurgere pe

suprafaţă, au proprietăţi termice bune (conductivitate termică ridicată) şi

independente de temperatură. Proprietăţile dielectrice depind de

materialul de umplutură şi de cel de vulcanizare, de solicitările mecanice

etc. Se utilizează între -50 şi 1500C, la izolarea conductoarelor şi a

cablurilor care funcţionează în condiţii grele etc.

Elastomerii se obţin din răşini de polimerizare sau poliadiţie.

Polietilena clorosulfonată (Hypanol) este stabilă la acţiunea

oxigenului, ozonului, are proprietăţi mecanice bune şi se utilizează (între

-15 şi 1500C) la izolarea conductoarelor şi cablurilor electrice etc.

Cauciucul butilic este nepolar, cu proprietăţi dielectrice foarte bune,

rezistenţă mare la oxigen şi ozon, stabilitate termică superioară (1200C)

etc. Elstomerii fluoruraţi se utilizează la temperaturi între -50 şi 2000C,

au rezistenţă mare la oxigen, ozon, solvenţi dar proprietăţile mecanice

sunt slabe.

2.9.3. Siliconii

Materialele siliconice sunt compuşi ai siliciului obţinuţi prin

completarea valenţelor libere ale lanţului siloxanic (fig. 2.50) cu radicali

organici (metil, etil, fenil etc). Sunt materiale de trecere între cele

organice şi cele anorganice care îmbină proprietăţile electrice bune ale

materialelor organice cu stabilitatea chimică şi termică mare a celor

anorganice.

Sunt materiale neinflamabile, nehigroscopice, nu dezvoltă gaze

toxice, aderă la suprafeţele metalice şi pot funcţiona la temperaturi

ridicate (2000C). În funcţie de structura lor moleculară, siliconii se

Fig. 2.50. Structura chimică a siloxanilor: a - lanţ siloxanic şi b - polisiloxan cu

molecule liniare


138

prezintă sub formă de uleiuri sau unsori (molecule scurte), cauciucuri

(molecule liniare) şi răşini (molecule spaţiale sau reţele moleculare).

Proprietăţile generale ale uleiurilor şi cauciucurilor siliconice au fost deja

prezentate în paragrafele 2.8.2 şi 2.9.2.4.

Răşinile siliconice sunt materiale termorigide, nehigroscopice,

greu inflamabile, cu rezistenţă mare la curenţii de scurgere pe suprafaţă şi

cu proprietăţi dielectrice bune. Sunt utilizate în electrotehnică, în special

ca bază pentru lacuri de acoperire, lipire sau de impregnare, precum şi ca

lianţi pentru mase plastice presate cu umplutură anorganică.

Lacurile siliconice se obţin prin dizolvarea răşinii (50...60%) în

toluen sau xilen şi au domeniul temperaturilor de utilizare între -50 şi

2000C şi chiar 2500C. Aplicate pe ţesături de sticlă, azbest, mică şi

produse pe bază de mică dau materiale izolante uniforme, flexibile,

nehigroscopice, cu bune proprietăţi dielectrice în domeniul de

temperaturi menţionat. Aceste produse sunt utilizate în sistemele de

izolaţie ale maşinilor electrice de puteri mari şi tensiuni înalte, cu regim

greu de funcţionare (maşini pentru macarale, laminoare, tracţiune

electrică etc) sau a aparatajului care funcţionează la temperaturi înalte.

2.9.4. Materiale anorganice

Materialele anorganice au temperatura de utilizare peste 2000C,

nu se oxidează, nu se carbonizează sub acţiunea arcului electric, rezistă

foarte bine la radiaţii, microorganisme şi la descărcări parţiale şi prezintă

o bună stabilitate chimică. Au proprietăţi electrice mai slabe decât cele

organice şi variabile în limite largi (v=108...1015m; r=3,5...20; tg=10-

4...10-2; Estr=3...200MV/m) în funcţie de structura materialului,

temperatură, frecvenţă etc.

Din punct de vedere mecanic, materialele anorganice sunt fragile

şi au rezistenţă redusă la întindere şi impact. Nu se pot obţine sub formă

de foi sau benzi subţiri, cu excepţia sticlei din care se pot trage fire sau

folii.

Cele mai utilizate materiale anorganice sunt: mica, sticla şi

ceramica electrotehnică.


139

2.9.4.1. Mica şi produsele pe bază de mică

Mica este un material cristalin din grupa silicaţilor de aluminiu.

Prezintă o mare varietate de tipuri în funcţie de compoziţie, dar în

electrotehnică sunt utilizate numai două tipuri de mică naturală: mica

muscovit şi mica flogopit.

Muscovitul este un aluminosilicat de potasiu hidratat (K2O

3Al2O3 6SiO2 2H2O). Este incolor (uneori cu nuanţe de roz sau verde) şi

are proprietăţi electrice superioare flogopitului, dar cu proprietăţi termice

mai slabe.

Flogopitul este un aluminosilicat de potasiu şi magneziu hidratat

(K2O 7MgO Al2O3 6SiO2 3H2O); este colorat în galben, brun, aproape

negru sau verde auriu.

Structura micei este foarte complexă şi constă din straturi

elementare de atomi de Si şi Al, legaţi prin atomi de O şi grupe -OH.

Forţele de legătură în lungul straturilor fiind mult mai puternice decât

cele dintre straturi apare un fenomen de clivaj (straturile se desprind cu

uşurinţă unele de altele).

Proprietăţile dielectrice ale micei sunt dependente de direcţia de

aplicare a câmpului, fiind mult mai bune în cazul în care acesta se aplică

perpendicular pe direcţia de clivare (v=1013...1014m la muscovit şi

1010...1012m la flogopit) decât în cazul în care se aplică în sensul

acesteia (v=106...108m). Este un material polar, permitivitatea şi

factorul de pierderi fiind dependente de temperatură şi frecvenţă (r=6...7;

tg=(1...3)10-4 la muscovit şi r=5...6; tg=(10...50)10-4 la flogopit).

Rigiditatea dielectrică depinde mult de grosimea straturilor şi de defectele

de reţea cristalină ajungând până la 700MV/m; uzual însă Estr=25MV/m.

Este inertă din punct de vedere chimic, cu rezistenţă mare la descărcări

parţiale şi stabilitate termică ridicată: muscovitul calcinează la peste

6000C iar flogopitul la 9000C.

Mica naturală este utilizată ca dielectric pentru condensatoare, la

realizarea sistemelor de izolaţie ale maşinilor şi aparatelor electrice, la

fabricarea unor materiale cu proprietăţi termice superioare etc.

Mica sintetică fluor - flogopit prezintă proprietăţi dielectrice mai

bune decât ale flogopitului, în special datorită înlocuirii grupării -OH cu

ioni de fluor. Stabilitatea termică este mare (9000C) şi coeficientul de


140

dilatare liniară este apropiat de cel al metalelor. Se utilizează ca dielectric

pentru condensatoare, la izolarea rezistoarelor electrice etc.

Produse pe bază de mică. Datorită proprietăţilor mecanice slabe,

mica este înlocuită în aplicaţii cu produse pe bază de mică: hârtia de

mică, micalexul, micanita, micafolia, micabanda etc.

Hârtia de mică se obţine prin dezintegrarea (termică - prin

calcinare - sau mecanică - cu jeturi de apă) a deşeurilor de mică în

particule foarte fine şi dispunerea lor sub forma unor straturi

asemănătoare celor de hârtie celulozică. Este mai omogenă şi mai

flexibilă decât mica naturală, izotropă, cu proprietăţi dielectrice mai slabe

dar cu proprietăţi mecanice mai bune.

Micalexul se obţine din mică muscovit (60%) şi sticlă fuzibilă

(40%) pe bază de bor şi plumb, presate la cald. Are rezistenţă mare la

umiditate şi la arc electric, proprietăţi mecanice, dielectrice, termice bune

şi se poate prelucra mecanic. Se foloseşte sub formă de plăci, bare, piese

fasonate, izolatori etc.

Micanitele se obţin din straturi de hârtie de mică sau mică foiţă

lipite cu şellac sau lacuri sintetice la temperaturi şi presiuni ridicate.

Având conţinut mare de mică (peste 50% din greutate) micanitele au

rezistenţă termică mare. În funcţie de conţinutul de liant se obţin:

micanite de colector (L4%), micanite de garnituri (L25%), micanite

de formare (L=10...30%), micanite flexibile (L=50...90%), termomicanite

(cu liant anorganic). Micanitele de colector şi de garnituri sunt dure şi se

folosesc pentru piese izolante care nu sunt solicitate la încovoiere.

Micanita de formare este utilizată pentru executarea de conuri de

colector, carcase de bobine, flanşe, diverse piese fasonate etc. Cea

flexibilă este folosită ca izolaţie de crestătură, garnituri, izolaţia barelor,

izolaţia capetelor de bobine etc.

Micafolia se obţine din straturi de hârtie de mică sau mică foiţă

(50%) lipite cu lianţi pe bază de şellac, poliesteri sau siliconi (30%) pe un

suport de hârtie sau ţesătură de sticlă (20%). Micabanda se obţine în

acelaşi mod, dar are un singur strat de mică şi unul sau două straturi

suport.

Produsele pe bază de mică sunt utilizate pentru izolarea lamelelor

de colector (micanita de colector), a bobinelor electromagneţilor (hârtia

de mică) la fabricarea conurilor izolante pentru colectoare, carcase de

bobine, flanşe, piese fasonate (micanita de formare, micalexul) a


141

garniturilor pentru aparate electrocasnice (micanita flexibilă), a izolaţiei

de crestătură, a izolaţiei capetelor de bobină etc. Sunt utilizate, în special,

în sistemele de izolaţie ale maşinilor şi aparatelor electrice cu regimuri

grele de exploatare sau ale maşinilor electrice de puteri mari şi tensiuni

înalte.

2.9.4.2. Sticlele

Sticlele anorganice fac parte din familia compuşilor oxidici având

la bază bioxidul de siliciu (SiO2) sau bor (B2O3) în amestec cu oxizi ai

metalelor alcaline (Na2O, K2O), ai metalelor alcalino - pământoase (CaO,

BaO) sau cu alţi oxizi metalici (Al2O3, PbO, ZnO). Proprietăţile şi

domeniile lor de utilizare depind de natura oxizilor constituenţi. Sunt

fabricate prin topirea oxizilor metalici, cel mai utilizat fiind însă SiO2

(silicea) care e prezent în toate sticlele. Masa sticloasă obţinută în urma

topirii oxizilor în cuptoare, se prelucrează la cald prin suflare, presare în

forme, tragere în profile sau fire, laminare în foi etc.

Sticla de cuarţ (obţinută prin topirea cuarţului - SiO2 pur) are o

structură cristalină formată din tetraedri cu atomii de oxigen în vârfuri şi

câte un atom de siliciu în centru. Tetraedrii de bază se leagă între ei prin

ioni de oxigen - structura cristalitelor fiind foarte densă, proprietăţile

dielectrice şi fizico - chimice sunt superioare altor tipuri de sticle:

coeficientul de dilatare liniară este redus, conductivitatea termică,

rezistivitatea şi rigiditatea dielectrică sunt mai mari.

Sticla silicat (pe bază de SiO2 şi alţi oxizi metalici) are multiple

utilizări în electrotehnică. Cea cu oxizi ai metalelor alcaline (Na, K) are

proprietăţi mai slabe (temperatura de înmuiere mai mică, solubilitatea în

apă mai mare, rezistivitatea de suprafaţă mai mică, permitivitatea relativă

şi factorul de pierderi mai mari şi dependente de temperatură şi frecvenţă.

Această înrăutăţire a proprietăţilor dielectrice se datorează întreruperii

legăturii - prin ioni de oxigen - dintre tetraedrii de bază, ceea ce

determină apariţia pe lângă polarizaţiile electronică şi ionică a unei

polarizaţii structurale.

Dacă oxizii metalelor alcaline sunt înlocuiţi de oxizi ai metalelor

alcalino - pământoase, legătura între tetraedrii nu se mai întrerupe, ea

fiind de tipul: ⎯ Si⎯ O ⎯ M2+ ⎯ O⎯ Si⎯ , unde M2+ este metalul

bivalent. Proprietăţile dielectrice ale acestor sticle sunt superioare.


142

Sticlele anorganice sunt materiale dure, casante, transparente,

nehigroscopice, rezistente la acţiunea acizilor (cu excepţia acidului

fluorhidric), cu proprietăţi dielectrice bune şi termice slabe. Sticlele nu

îmbătrânesc ca materialele organice. Conductivitatea termică redusă

determină o repartiţie neuniformă a temperaturii în material şi se produc

astfel dilatări neuniforme care provoacă tensiuni mecanice şi deformări

reziduale în masa sticlelor. Proprietăţile termice se îmbunătăţesc

introducând oxizi metalici în masa sticlelor, iar cele mecanice prin călire

(sticlele călite au rezistenţă mecanică foarte mare). Se pot colora uşor

prin introducerea unor oxizi metalici adecvaţi: CoO (albastru), NiO

(roşu), CuO2 (galben), Cr2O3 (verde), MnO2 (violet).

Sticlele cu conţinut redus de oxizi alcalini (cu rezistivitatea de

suprafaţă mare) se utilizează în construcţia izolatoarelor de înaltă

tensiune sau pentru telecomunicaţii. Din sticlele silicat cu oxizi de Al,

Ca, B şi Na se obţin fibre, fire şi hârtie de sticlă utilizate la izolarea

conductoarelor, la fabricarea ţesăturilor de sticlă, ca dielectric pentru

condensatoare etc. Sticla pe bază de elemente uşoare (B2O3, BeO, Li2O)

este utilizată în aparatura Röentgen ca mediu transparent, iar cea silicat

cu componenţi grei (PbO, BaO) ca medii de protecţie. De asemenea

sticlele sunt utilizate la fabricarea lămpilor de iluminat, a tuburilor pentru

descărcări în gaze etc.

2.9.4.3. Ceramica electrotehnică

Din grupa materialelor ceramice fac parte acele materiale care, în

decursul procesului tehnologic de obţinere sunt supuse unor arderi la

temperaturi ridicate. Se obţin din argilă sau steatită la care se adaugă

fondanţi (feldspat, marmură) şi degresanţi (SiO2, MgO). După formare

(prin presare), piesele ceramice se usucă, se prelucrează şi se ard la cca

9000C, se glazurează şi apoi se ard la 1400...15000C. În decursul acestor

arderi se formează faza sticloasă (amorfă) - prin topirea feldspatului - în

care sunt dispuse cristalele de mulit (3 Al2O3 2SiO2) şi cuarţ, care

constituie faza cristalină. Ceramica are o structură neomogenă şi

proprietăţile ei sunt dependente de raportul dintre cele două faze

(cristalină şi amorfă). Creşterea fazei amorfe (a conţinutului de feldspat)

duce la scăderea rezistenţei mecanice şi a rezistivităţii electrice şi la

creşterea rigidităţii dielectrice. Creşterea fazei cristaline (a conţinutului


143

de caolin din care se formează cristalele de mulit) duce la creşterea

rezistenţei mecanice şi a temperaturii de utilizare.

Ceramica rezistă foarte bine la acţiunea arcului electric, nu

prezintă fenomenul de îmbătrânire, are stabilitate chimică bună, dar

rezistenţă la tracţiune mică, rezilienţă scăzută, contracţie mare la răcire şi

proprietăţi dielectrice slabe (fiind higroscopică) şi dependente de

compoziţie, temperatură şi frecvenţă. Pentru protecţia împotriva

pătrunderii umidităţii se glazurează cu materiale nehigroscopice.

Proprietăţile dielectrice ale principalelor ceramici dielectrice sunt

prezentate în tabelul 2.3.

Tabelul 2.3

Materialul Compoziţia r tg104 , Estr,

(%) la 200C şi 1

MHz m MV/m

Materiale ceramice din sistemul BaO - Al2O3 - SiO2

SiO2 Al2O

3

BaO

Ceramică

mulitică

61,0 30,5 8,5 7-7,5 30 - 50 1010 18 - 20

Ceramică

celsiană

36,7 26,9 34,4 6,5-7 2 1014 35 - 45

Ceramică

corund-mulitică

30,7 62,8 6,7 7–

7,5

16 - 18 1010 –

1012

30 - 35

Ceramică

corund

16,5 80,2 3,3 8-8,5 3 - 10 1010 –

1012

20 - 25

Materiale ceramice din sistemul MgO - Al2O3 - SiO2

SiO2 Al2O

3

MgO

Ceramică steatit 65 - 35 6 – 7 3 - 8 1010 -

1011

20 - 30

Ceramică spinel 11 66 23 7,5–

8

4 - 6 1011 -

1012

20 - 30

Materiale ceramice din sistemul oxizilor de titan şi zirconiu

Ceramică rutilică TiO2 70-80 4 - 5 109-1010 10 -

12

Ceramică din oxizi

de titan şi zirconiu

(TixZr1-x)O2 35 - 40 3 - 4 1010-

1011

8 - 10

Ceramică

perovschit

CaTiO3 140-150 3 - 4 1010-

1011

10 -

12


144

Dielectricii din sistemul BaO - Al2O3 - SiO2 (ceramica mulitică,

celsiană, corund - mulitică şi corund) au valori mari ale rezistivităţii şi

rigidităţii dielectrice, pierderi reduse şi sunt materiale nehigroscopice.

Sunt utilizaţi îndeosebi pentru obţinerea unor piese electroizolante. Se

remarcă faptul că un procentaj mai mare de BaO duce la creşterea

rezistivităţii şi la micşorarea pierderilor dielectrice. Din sistemul MgO -

Al2O3 - SiO2 ceramica steatit este utilizată pentru fabricarea izolatorilor

de înaltă sau joasă tensiune şi cea spinelică (corderit) ca dielectric pentru

condensatoare de joasă tensiune stabile termic şi în instalaţiile de

încălzire. Dielectricii ceramici din oxizi de titan şi zirconiu sunt, în

general, materiale feroelectrice cu valori mari ale permitivităţii, cu o bună

stabilitate în timp a proprietăţilor şi cu stabilitate termică ridicată. Se

utilizează la fabricarea condensatoarelor, amplificatoarelor dielectrice,

dispozitivelor de memorare etc.

2.9.4.4. Alte materiale anorganice

Rocile electroizolante mai des utilizate sunt: marmura, ardezia şi

talcul. Au o structură poroasă, sunt higroscopice, casante şi cu proprietăţi

dielectrice slabe. Au rezistenţă redusă la acizi şi şocuri termice şi sunt

utilizate până la maximum 1100C, la tensiuni şi frecvenţe scăzute pentru

confecţionarea de tablouri de distribuţie, plăci de borne, suporturi pentru

întreruptoare şi reostate, la izolarea cablurilor (talcul) etc.

Azbestul. Cel mai utilizat material de azbest este cristolitul

(3MgO2SiO22H2O), material cu fibre lungi şi flexibile, utilizat până la

350-4000C când pierde apa de cristalizare şi care la 8000C devine

pulverulent iar la 15210C se topeşte. Este foarte higroscopic,

rezistivitatea sa variază foarte mult cu conţinutul de umiditate şi

temperatura (=103...1011m), rigiditatea dielectrică este mică (Estr=3,5

MV/m) şi pierderile dielectrice mari (tg=0,1).

Se utilizează sub formă de fire pentru izolarea conductoarelor, sub

formă de ţesături (pentru stratificate), benzi şi hârtii (pentru izolarea

înfăşurărilor maşinilor electrice, ca izolaţie de crestătură) şi ca material

de umplutură pentru fabricarea maselor plastice.

Azbocimentul obţinut din azbest (fire scurte) şi ciment are

rezistenţă mare la arc electric şi la curenţi de scurgere pe suprafaţă şi se


145

utilizează pentru confecţionarea camerelor de stingere, a plăcilor de

separatoare, a tablourilor de distribuţie etc.

Oxizi metalici. Materialele electroizolante obţinute prin

sinterizarea oxizilor de aluminiu (Al2O3) sau magneziu (MgO) sunt

materiale cristaline cu proprietăţi mecanice şi electrice foarte bune,

conductivitate termică ridicată, rezistente la temperaturi înalte

(2000...30000C) dar foarte scumpe şi greu prelucrabile. Se utilizează la

izolarea conductoarelor electrice, la fabricarea cuptoarelor electrice

pentru temperaturi ridicate, a bujiilor şi ca dielectric pentru

condensatoare.

Materialele refractare (oxizi metalici polivalenţi, carburi, nitruri,

sulfuri) rezistă la temperaturi foarte înalte fără a se oxida sau a-şi

modifica proprietăţile electrice şi mecanice. Se utilizează la fabricarea

micei sintetice, a circuitelor integrate monolitice NMOS (nitrura de

siliciu), a varistoarelor (carbura de siliciu), pentru reactorii nucleari

(carbura de bor) etc.

2.9.5. Lacuri electroizolante

Lacurile electroizolante sunt substanţe lichide în momentul

utilizării pentru a putea fi aplicate - şi solide după aplicare, formând o

peliculă electroizolantă. Întărirea are loc ca urmare a unui proces fizic

(evaporarea solventului) sau a unor procese fizico - chimice (evaporarea

solvenţilor fiind urmată de reacţii de oxidare, de polimerizare,

policondensare sau poliadiţie).

Un lac este alcătuit dintr-o bază, substanţa care va forma pelicula

(răşină, bitum, uleiuri sicative etc), un

solvent volatil (benzină, alcool, toluen,

white - spirit, esteri, eteri etc) şi materiale de

adaos (sicativi, plastifianţi, coloranţi etc). În

procesul de dizolvare a bazei, moleculele

scurte ale solvenţilor pătrund printre

macromoleculele răşinii şi le solvatează,

adică se leagă de valenţele libere ale

acestora (fig. 2.51). Îndepărtându-se unele

de altele forţele de legătură slăbesc şi macromoleculele se pot deplasa în

solvent, realizându-se astfel dizolvarea răşinii.

Fig. 2.51 Solvatarea răşinii


146

Lacurile electroizolante se pot clasifica în funcţie de:

-compoziţia chimică în: lacuri uleioase (pe bază de uleiuri

sicative); lacuri oleobituminoase (pe bază de uleiuri sicative modificate

cu bitumuri) şi lacuri răşinoase (pe bază de răşini naturale sau sintetice);

-utilizare, în: lacuri de impregnare, de acoperire, de lipire şi de

emailare;

-modul de uscare, în: lacuri cu uscare în aer sau cu uscare în

cuptor;

-stabilitatea termică.

Lacuri de impregnare. Prin impregnare se umplu golurile din

izolaţia înfăşurărilor maşinilor electrice cu un lac de impregnare,

realizându-se după uscarea lacului o înfăşurare compactă. De aici rezultă

următoarele avantaje: o rezistenţă mecanică superioară împotriva

vibraţiilor şi a forţelor electrodinamice; o mai bună disipare a căldurii

(conductivitatea termică a aerului este mai mică decât a lacului întărit); o

îmbunătăţire a proprietăţilor dielectrice (rezistenţă mai mare la descărcări

electrice parţiale şi rigiditate dielectrică mărită); o protecţie mai bună

împotriva umidităţii şi a altor agenţi chimici. Lacurile de impregnare

trebuie să fie suficient de fluide pentru a impregna bine dar un procent

prea mare de solvent (peste50...60%) ar putea duce la o contracţie prea

mare la uscare. Se utilizează lacuri cu baza constituită din molecule mici,

cu întărire prin evaporarea solventului şi proces chimic sau lacuri fără

solvenţi, cu uscare în cuptor la temperaturi suficient de joase

(120...1300C) pentru a nu se deteriora izolaţia conductoarelor şi care

formează pelicule suficient de flexibile pentru a nu se deteriora (fisura,

crăpa) la solicitările mecanice sau termice.

Lacurile cele mai utilizate pentru impregnarea înfăşurărilor sunt

lacurile oleobituminoase, oleorăşinoase, bachelitice, oleobachelitice,

gliptalice sau melaminogliptalice, epoxidice, poliesterice, iar pentru

temperaturi ridicate - cele alchilsiliconice sau siliconice. Pentru

impregnarea hârtiilor şi ţesăturilor (utilizate sub formă de benzi, tuburi

sau pânze lăcuite, în sistemele de izolaţie) se utilizează lacuri uleioase,

oleobituminoase, oleogliptalice, alchilsiliconice sau siliconice pure

(ultimele două pentru ţesături din fire de sticlă şi azbest).

Lacuri de acoperire. Acestea au rolul de a proteja suplimentar

înfăşurările impregnate împotriva umezelii şi a diverşilor agenţi chimici..

Lacurile de acoperire sunt lacuri cu adaos de pigmenţi, mai

vâscoase decât cele de impregnare şi dau pelicule mai puţin flexibile dar


147

cu permeabilitate scăzută la umiditate şi la vapori de apă, cu proprietăţi

mecanice bune, cu o conductivitate termică mai bună şi o bună

comportare la curenţii de scurgere pe suprafaţă. Sunt lacuri cu uscare în

aer: gliptalice, oleogliptalice, epoxidice, poliuretanice, poliesterice,

celulozice sau pe bază de cauciuc clorurat.

Lacuri de lipire. În această grupă intră lacurile utilizate la

fabricarea produselor pe bază de mică (lacuri de şellac, gliptalice,

oleobituminoase, poliesterice, epoxidice, siliconice etc), pentru lipirea

izolanţilor solizi între ei sau pe metale (epoxidice) sau cele utilizate la

fabricarea stratificatelor pe bază de hârtie şi ţesături considerate şi ca

lacuri de impregnare.

Lacuri de emailare. Această categorie de lacuri prezintă o

importanţă deosebită pentru industria electrotehnică, fiind utilizate

îndeosebi pentru emailarea conductoarelor de bobinaj. Izolaţia

conductoarelor emailate fiind mult mai subţire (0,5...5m) faţă de cea din

bumbac, hârtie etc rezultă un factor de umplere mult mai bun. Pe

conductor se aplică mai multe straturi de lac, întărirea având loc la

temperaturi înalte (250...4000C) iar rigiditatea dielectrică a peliculei

electroizolante atinge valori foarte mari (800...1000kV/cm). Peliculele

formate de lacurile de emailare trebuie să adere foarte bine la suprafaţa

conductoarelor, să fie nehigroscopice, elastice (pentru evitarea fisurilor)

şi cu proprietăţi dielectrice foarte bune. Se utilizează lacuri uleioase (în

telecomunicaţii), polivinilacetalice (pentru 50% din conductoarele

emailate, datorită proprietăţilor mecanice, termice şi electrice bune),

poliamidice (au rezistenţă slabă la umiditate), epoxidice (cu proprietăţi

electrice foarte bune dar mecanice mai slabe), poliuretanice (utilizate

îndeosebi în echipamentul electronic, conductoarele putându-se suda fără

înlăturarea lacului), tereftalice, siliconice (rezistente la temperaturi

ridicate), poliimidice, poliesterimidice etc.

2.9.6 Compounduri

Compoundurile sau masele izolante (mase de impregnare sau de

umplere) sunt amestecuri de ceruri, răşini, uleiuri, bitumuri etc care se

înmoaie şi se topesc cu uşurinţă şi care ocupă spaţiile şi care ocupă

spaţiile goale din sistemele de izolaţie care devin astfel mai compacte,


148

mai rezistente la umiditate, cu rezistenţă mecanică şi conductivitate

termică mai mari şi cu proprietăţi electrice mai bune.

Sunt utilizate pentru umplerea manşoanelor şi a cutiilor terminale

de cabluri, pentru umplerea condensatoarelor, a bateriilor uscate şi a

acumulatoarelor pentru autovehicole, pentru impregnarea izolaţiei

înfăşurărilor (îndeosebi fixe) la maşini şi aparate electrice, la acoperirea

unor înfăşurări sau pentru impregnarea hârtiei de cablu etc. Cele mai

utilizate sunt compoundurile ceroase (pe bază de ulei de ricin hidrogenat,

masă galbenă etc) şi bituminoase. Dintre compoundurile ceroase deosebit

de importantă este masa galbenă (colofoniu şi ulei mineral) utilizată

pentru impregnarea hârtiei de cablu de tensiuni medii. Colofoniul

absoarbe hidrogenul (produs prin descărcări parţiale) din izolaţia

cablului, împiedicând apariţia unor presiuni mari care ar mări volumul

cavităţilor şi ar intensifica procesul de degradare a izolaţiei.

Compoundurile bituminoase sunt nehigroscopice, cu proprietăţi

electrice foarte bune şi cu cost redus. Sunt utilizate pentru impregnare,

acoperire şi umplere. Sunt folosite, în special, compounduri de bitum cu

colofoniu şi ulei mineral sau bitum cu petrol, asfalturi acide etc. În

domeniul frecvenţelor înalte se utilizează amestecuri de polietilenă,

cerezină, parafină, poliizobutilenă etc.

2.9.7 Materiale pe bază de răşini sintetice

Această categorie de materiale cuprinde: mase plastice presate,

mase plastice stratificate, folii sintetice, fire şi ţesături şi poroplaste

(materiale expandate).

Masele plastice presate sunt alcătuite dintr-o răşină care

constituie liantul, umplutura (care îi atribuie proprietăţi mecanice,

termice, chimice şi care îi scade preţul de cost dar şi proprietăţile

electrice) şi plastifianţi (esteri uleioşi), coloranţi şi alte substanţe (pentru

îmbunătăţirea proprietăţilor de prelucrare sau a aspectului, dar se

înrăutăţesc proprietăţile electrice). Materialele de umplutură pot fi

organice (rumeguş de lemn, fibre textile, bucăţele de hârtie etc) sau

anorganice (praf de mică sau cuarţ, fire de azbest etc). Se realizează:

mase plastice pe bază de răşini termoplastice, pe bază de răşini

termoreactive (izotrope), armate cu fire de sticlă (cu caracteristici


149

mecanice superioare) etc, fiind utilizate pentru obţinerea pieselor

electroizolante cu proprietăţi termomecanice bune şi cost redus.

Masele plastice stratificate se obţin din straturi suprapuse de

hârtie (de impregnare, acetilată), ţesături (din fire de sticlă sau azbest) sau

furnir de lemn, impregnate cu răşini termoreactive (bachelitice,

carbamidice, melaminice, epoxidice, poliesterice, siliconice etc) şi lipite

între ele (sub acţiunea presiunii şi căldurii). Proprietăţile lor electrice,

mecanice şi fizice sunt foarte diferite în funcţie de cantitatea şi tipul

răşinii de impregnare, de natura stratului suport, de caracteristicile

procesului tehnologic etc. Sunt materiale anizotrope, cu higroscopicitate

ridicată şi cu caracteristici dielectrice dependente de frecvenţă,

temperatură şi umiditate. Se fabrică sub formă de plăci, tuburi sau cilindri

din care se execută apoi diverse piese. Cele sub formă de plăci se obţin

suprapunând hârtiile, ţesăturile sau furnirul, impregnate cu un lac pe bază

de răşini termoreactive şi introduse aceste topuri (în număr corespunzător

grosimii dorite) într-o presă cu etaje, încălzită. În timpul presării răşina

devine fluidă, pătrunde în porii materialului suport şi apoi are loc - la

anumite temperaturi şi presiuni - desăvârşirea procesului de

policondensare sau poliadiţie, răşina se întăreşte şi se obţin plăci

termorigide. În mod analog, prin înfăşurare pe cilindri sau dornuri, se

fabrică cilindri şi bare.

Stratificatele pe bază de hârtie (pertinax, izoplac etc) au

proprietăţi electrice bune şi se utilizează la confecţionarea tablourilor de

distribuţie, a suporturilor pentru circuite imprimate, a pieselor izolante

pentru transformatoare şi întrerupătoare etc. Cele pe bază de ţesături de

bumbac (textolit) au proprietăţi mecanice mai bune şi se utilizează în

construcţia pieselor izolante cu solicitări mecanice intense (roţi dinţate,

tije portperii, pene pentru maşini electrice etc). Stratificatele din ţesături

de sticlă (sticlotextolit) au proprietăţi electrice, termice şi mecanice mai

bune şi sunt utilizate în schemele de izolaţie ale maşinilor de puteri mari,

pentru camerele de stingere a arcului electric etc. Cele pe bază de azbest

(azbestit) au stabilitate chimică şi termică ridicată, dar proprietăţi

dielectrice reduse şi se utilizează pentru confecţionarea unor piese

izolante care funcţionează la temperaturi ridicate sau în medii toxice.

Cele pe bază de furnir de lemn (lignofolii sau lemn bachelizat) sunt mai

puţin utilizate în electrotehnică.

Foliile sintetice sunt materiale omogene cu proprietăţi dielectrice

foarte bune, cu suprafaţă netedă şi cu grosimi între unităţi şi mii de


150

micrometri. Se fabrică folii atât din răşini sintetice (de polimerizare: PE,

PVC, PTFE, PS etc şi de policondensare: poliamide, poliimide,

policarbonaţi etc) cât şi derivaţi ai celulozei (triacetat, etilceluloză etc)

cărora li se adaugă uneori coloranţi sau plastifianţi pentru îmbunătăţirea

prelucrabilităţii. Aceste materiale sunt flexibile, cu absorbţie de apă

redusă (PTFE, PE etc) rigiditate dielectrică mare (PET, poliimide etc), cu

pierderi dielectrice mici (PE, polipropilena etc) sau cu rezistivitate

electrică ridicată (PS, PE etc). Se utilizează la izolarea conductoarelor, a

cablurilor şi a capetelor de bobine, la fabricarea benzilor adezive, a

izolaţiilor de crestătură combinate (preşpan-hostafan-preşpan, hostafan-

mică-hostafan), a izolaţiilor între straturi, ca suport pentru produse pe

bază de mică sau componente în straturi etc.

Fire şi ţesături. Firele se obţin atât din substanţe organice cu

macromolecule liniare (răşini sintetice termoplaste, celuloză etc) cât şi

din materiale anorganice (sticlă, azbest etc). Cele sintetice (organice) se

obţin din aceleaşi materiale ca şi foliile şi au, pe lângă proprietăţile

dielectrice de mai sus şi o rezistenţă mare la rupere prin tracţiune. Firele

de sticlă se obţin din borosilicaţi, sunt rezistente la agenţi chimici şi

radiaţii, neinflamabile, cu absorbţie redusă de apă şi stabilitate termică

ridicată. Se utilizează - în general impregnate - la acoperirea

conductoarelor prin înfăşurare sau tresare şi sub formă de ţesături.

Ţesăturile se obţin din fire de diferite lungimi şi compoziţii

chimice: bumbac, mătase, poliamide, sticlă, azbest etc. Se utilizează

impregnate sau lăcuite, obţinându-se ţesături galbene (impregnate cu ulei

sicativ şi răşini sintetice) sau negre (impregnate cu ulei sicativ şi bitum)

sau ţesături lăcuite. Se utilizează la fabricarea stratificatelor, a benzilor

adezive (folie, ţesătură, hârtie şi o masă adezivă), a izolaţiilor compuse

etc.

Poroplastele (materiale expandate) sunt materiale cu structură poroasă,

obţinute - cu ajutorul unor substanţe care dezvoltă gaze - din PE, PS,

PVC, poliuretani etc. Prezintă pori închişi sau deschişi, în număr mai mic

sau mai mare, ceea ce permite obţinerea de poroplaste de diverse tipuri,

de la rigide până la moi şi elastice. Se utilizează ca izolanţi electrici,

termici (în frigidere), acustici, pentru amortizarea oscilaţiilor, la ambalaje

diverse etc.

2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE

Documents

Transcript of 2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE