Obsah

06

Izolanty a dielektrika

Co se v této kapitole dozvíte?

  • Co je dielektrikum a co izolant.
  • Jak lze rozdělit dielektrika a izolanty.
  • Proč a za jakých podmínek izolanty vedou elektrický proud.
  • Co je elektrická polarizace a jaké rozlišujeme druhy elektrické polarizace.
  • Jaké jsou charakteristické vlastnosti (veličiny) dielektrik a izolantů.
  • Co je elektrická polarizace a jaké jsou její druhy.
  • Podrobnosti o anorganických a organických izolantech.
  • Jaké jsou kapalné a plynné izolanty a kde se využívají.
  • Různé druhy kondenzátorů.

6.1 Vymezení pojmů aneb co je dielektrikum a co je izolant

6.1.1 Dielektrikum

  • Hlavní vlastností dielektrika je schopnost polarizovat se v elektrickém poli.
  • Hlavním parametrem dielektrika je jeho relativní permitivita (εr).
  • Dielektrika se využívajík hromadění elektrické energie (kondenzátory).
  • Dielektrikum představuje širší pojem než izolant (dielektrikum může být i polovodič).
  • Příklady dielektrik: slída, vzduch, kondenzátorový papír, keramika, plasty, minerální oleje).

6.1.2 Izolant

  • Jako izolanty můžeme označit dielektrika s vysokou rezistivitou.
  • Hlavní vlastností izolantu je schopnost klást velký odpor průtoku elektrického proudu.
  • Hlavním parametrem izolantu je rezistivita = měrný odpor (ρ).
  • Izolanty se využívají k izolování elektricky vodivých těles.
  • Ideálním izolantem je pouze vakuum, popř. technický izolant za teploty v okolí absolutní nuly.
  • Každý technický izolant je za normálních podmínek do určité míry vodivý.
  • Příklady izolantů: plasty, keramika, vzduch, SF6, minerální oleje.

6.2 Rozdělení dielektrik a izolantů

  • Podle skupenství:
    1. pevné (např. plasty, slída, keramika),
    2. kapalné (např. minerální oleje),
    3. plynné (např. vzduch, SF6).
  • Podle původu:
    1. anorganické (např. slída, keramika),
    2. organické (např. minerální oleje, plasty).

6.3 Teorie vodivosti dielektrik a izolantů

6.3.1 Obecně o vodivosti (nebo spíše nevodivosti) izolantů

Jak již bylo zmíněno v kap. 6.1.2, ideálním izolantem je pouze vakuum, popř. technický izolant za teploty v okolí absolutní nuly. Každý technický izolant je za normálních podmínek do určité míry vodivý.


Izolanty neobsahují volně pohyblivé elektrony ani jiné částice, které by byly schopné vést elektrický proud. Skládají se z atomů nebo molekul, které obsahují elementární částice. Tyto částice s elektrickým nábojem jsou vázány na určitá místa mřížky izolantu, z nichž se nemohou za normálních podmínek působením elektrického pole vzdálit.


U izolantů se uplatňuje nejčastěji iontová (kap. 2.5.3) nebo Van der Waalsova vazba (kap. 2.5.4).


Pásový model izolantu byl zmíněn v kap. 3.3.3. Jejich zakázaný pás je větší než 3 eV a tuto energii nelze dodat prostým zvýšením teploty nebo ozářením světlem. Izolant se může stát vodivým pouze v silném elektrickém poli.


Elektrická vodivost izolantu je samozřejmě nežádoucí, protože pak izolant ztrácí svou funkci. A právě proto je velmi důležité o vodivosti izolantů mít podrobnější znalosti a v provozu zajistit, aby k ní pokud možno nedošlo.


6.3.2 Faktory, které ovlivňují vodivost izolantů

  • Druh materiálu – každý izolační materiál má určitou, i když třeba jen velmi malou elektrickou vodivost.
  • Elektrická vodivost izolantu se může zvyšovat s množstvím příměsí a nečistot, které mohou být více vodivé než základní materiál.
  • Význam má i skupenství materiálu, což bude podrobně probráno dále v kapitolách 6.3.3, 6.3.4 a 6.3.5.
  • Elektrickou vodivost též ovlivňují vnější faktory, jako teplota, vlhkost, druh prostředí.
  • Velký vliv na elektrickou vodivost izolantu má vnější elektrické pole, do kterého je izolant vložen. V silném poli se izolant může stát vodivým a dojde k jeho průrazu.
  • Obecně lze říci, že ve slabých elektrických polích se projevuje tzv. nesamostatná elektrická vodivost, která je způsobena hlavně vlivem příměsí a nečistot obsažených v základním izolačním materiálu.
  • V silných elektrických polích pak již dochází k vodivosti samostatné, kdy vede samotný izolační materiál. Dojde v němk ionizaci a uvolnění elektronů.
  • Posouzení slabého a silného pole závisí skupenství izolantu, pro plynné izolanty to je pole s E>105Vm-1, pro kapalné a pevné pak o 1 až 2 řády vyšší.

6.3.3 Vodivost plynných izolantů

  • Plyny obsahují neutrální atomy, molekuly a malé množství volných nosičů náboje, které vznikly ionizací.
  • Plyny jsou stlačitelné a rozpínavé.
  • Ve slabém poli se projevuje malá nesamostatná vodivost, přibližně platí Ohmův zákon.
  • Při zvyšování intenzity elektrického pole následuje oblast nasycení – proud je konstantní při zvyšující se intenzitě pole (počet volných nosičů náboje zůstává stejný).
  • V silném poli již dojde k samostatné vodivosti. Na elektrony působí velká síla, urychlí je, rychlé elektrony způsobí štěpení neutrálních částic na ionty, v důsledku toho dojde k prudkému zvýšení proudu a průrazu izolačního plynu.
  • U plynů se ovšem jedná pouze o dočasnou ztrátu elektroizolační schopnosti.
  • Závislost proudu, který prochází plynným izolantem, na intenzitě elektrického pole je naznačena na obr. 6.1.

Obr. 6.1: Závislost proudu v plynném dielektriku na intenzitě vnějšího elektrického pole


6.3.4 Vodivost kapalnýchizolantů

  • Kapalné izolanty obsahují ionty příměsí a nečistot, vyznačují se větší hustotou než plyny.
  • Ve slabém elektrickém poli dochází opět pouze k nesamostatné vodivosti od iontů příměsí a nečistot, přibližně platí Ohmův zákon.
  • V silném poli se projeví již samostatná elektronová vodivost. Střední volná dráha elektronů je menší než u plynů, není zde stav nasycení, po překročení určité hodnoty intenzity elektrického pole (elektrické pevnosti) nastane velký nárůst proudu a průraz.
  • Závislost proudu na intenzitě vnějšího elektrického pole pro kapalná dielektrika je na obr. 6.2.

Obr. 6.2: Závislost proudu na intenzitě vnějšího elektrického pole pro kapalná dielektrika


6.3.5 Vodivost pevných izolantů

  • Pevné izolanty mají největší hustotu látky. Na rozdíl od plynných a kapalných látek může proud procházet objemem materiálu i po jeho povrchu, proto u pevných izolantů rozlišujeme vnitřní a povrchovou vodivost.
  • Pro vnitřní vodivost platí podobně jako u kapalin, že ve slabém poli se projevuje nevlastní vodivost od iontů příměsí, přibližně platí Ohmův zákon. V silném poli dochází již k vlastní elektronové vodivosti, což se projeví prudkým nárůstem proudu a průrazem. Závislost elektrického proudu v pevném izolantu na intenzitě elektrického pole by vypadala obdobně jako na obr. 6.2, pouze by byla vyšší hodnota Ep.
  • Vodivost povrchová je velmi nepříznivá, ohrožuje bezpečný provoz elektrických zařízení. Způsobují ji nečistoty, které se usazují na povrchu materiálu. Zvláště nebezpečnou nečistotou je voda.

6.4 Elektrická polarizace dielektrik

6.4.1 Co je elektrická polarizace dielektrika

  • Elektrická polarizace dielektrika je proces, při kterém dochází k narušení symetrie rozdělení elektrických nábojů v atomech dielektrika. Nastává po vložení dielektrika do elektrického pole.
  • U nepolárních dielektrik se při polarizaci z atomů nebo molekul působením přitažlivé a odpudivé elektrické síly stanou elektrické dipóly, dojde k nesymetrickému rozložení částic s elektrickým nábojem uvnitř atomů nebo molekul.
  • Polární dielektrika (např. voda) obsahují elektrické dipóly i bez působení vnějšího elektrického pole. Jejich směr je ale neuspořádaný a při polarizaci dojde pouze k uspořádání dipólů do jednoho směru.
  • V dielektriku obvykle dochází k několika druhům polarizace současně.

Druhy elektrické polarizace:

  1. Pružná (deformační):
    1. elektronová,
    2. iontová.
  3. Relaxační:
    1. dipólová,
    2. iontová relaxační.
  5. Objemová:
    1. mezivrstvová (migrační),
    2. vysokonapěťová.
  7. Zvláštní:
    1. spontánní,
    2. rezonanční.

6.4.2 Pružná polarizace

  • Při pružné polarizaci dojde k velmi rychlému vychýlení pružně vázaných nábojů (elektronů, iontů) na malé vzdálenosti. Deformační polarizace probíhá bez ztrát energie v dielektriku, prakticky nezávisí na teplotě ani na kmitočtu. Po odstranění dielektrika z elektrického pole se náboje okamžitě navrátí do původního stavu. Rozlišujeme dva druhy pružné polarizace – elektronovou a iontovou.
  • Elektronová polarizace se projevuje u všech izolantů posunutím jader atomů a elektronů v atomovém obalu. V normálním stavu bez elektrického pole těžiště kladného a záporného náboje splývají. Polarizací v elektrickém poli se atomy mění na indukované dipóly. Doba ustálení `\tau`= 10-15 až 10-13 s. Elektronová polarizace nezávisí na teplotě. Je naznačena na obr. 6.3.

  • Obr. 6.3: Znázornění elektronové polarizace


  • Při iontové polarizaci, vyskytující se především v izolantech s iontovou vazbou (např. sklo), se navzájem posouvají kladné a záporné ionty. Doba ustálení `\tau`= 10-13 až 10-12 s. Nezávisí na frekvenci, na teplotě však závisí. S rostoucí teplotou roste polarizovatelnost. Iontová polarizace je naznačena na obr. 6.4.

Obr. 6.4: Znázornění iontové polarizace


6.4.3 Relaxační polarizace

  • Vyskytuje se u izolantů, jejichž polární částice (např. dipólové molekuly nebo ionty) přecházejí při působení elektrického pole postupně z nepolarizovaného do polarizovaného stavu.
  • Časový průběh relaxační polarizace není okamžitý jako u polarizace pružné, ale částice přecházejí do polarizovaného stavu postupně, blíží se k maximální ustálené hodnotě (též její zánik po odstranění elektrického pole), viz obr. 6.5.
  • Relaxační polarizace je teplotně závislá. Dochází při ní ke ztrátám energie v dielektriku.
  • Dipólová relaxační polarizace probíhá u dielektrik, ve kterých již existují dipóly před polarizací, ale jsou neuspořádané. Při polarizaci se dipóly postupně natáčejí dle vnějšího elektrického pole, viz obr. 6.6.
  • Iontová relaxační polarizace se vyskytuje u dielektrik s nepravidelně uspořádanými ionty, např. amorfní struktury: anorganická skla a keramika se skelnou fází. Dochází při ní k polarizaci iontů v mezerách struktury.

Obr. 6.5: Časový průběh relaxační polarizace


Obr. 6.6: Znázornění relaxační dipólové polarizace


6.4.4 Mezivrstvová objemová polarizace

Tato polarizace probíhá u dielektrika s nehomogenní strukturou, ve kterém se vyskytují rozhraní, poruchy a přechody mezi materiály. Dochází zde k pohybu volných nábojů a hromadění nosičů náboje na rozhraní látek, čímž se tvoří prostorový náboj. Mezivrstvová polarizace je pomalejší než ostatní druhy polarizace. Je závislá na teplotě. Princip mezivrstvové polarizace je zobrazen na obr. 6.7.


Obr. 6.7: Znázornění mezivrstvové objemové polarizace


6.4.5 Spontánní polarizace (samovolná)

Samovolná polarizace probíhá u látek s doménovou strukturou (feroelektrika). Dochází k ní bez přispění elektrického pole při tuhnutí taveniny feroelektrické látky. Je teplotně závislá. Příkladem feroelektrické látky je permitit, který má velmi vysokou hodnotu relativní permitivity (εr=105).


6.4.6 Elektrostrikce

S polarizací bývá často spojená i určitá deformace dielektrika, kterou nazýváme elektrostrikce. Vyznačuje se změnou geometrických rozměrů dielektrika v důsledku polarizace. Např. destička z křemene se po vložení mezi dvě elektrody působením elektrického pole zkracuje, nebo prodlužuje. Ve střídavém elektrickém poli se rozkmitá.


6.4.7 Piezoelektrický jev

Vzniká při mechanickém namáhání krystalu tlakem, tahem, ohybem, nebo krutem, což na jeho plochách vyvolá elektrický náboj a dochází k polarizaci dielektrika. Piezoelektrika jsou dielektrika polarizovatelná vnějším mechanickým namáháním.


6.5 Charakteristické vlastnosti izolantů a dielektrik

6.5.1 Poměrná (relativní) permitivita

  • Označuje se písmenem εr, je bez jednotky.
  • Je to hlavní parametr dielektrika.
  • Je měřítkem elektrické polarizace dielektrika, udává, kolikrát je schopnost polarizace daného materiálu vyšší než schopnost polarizace vakua.
  • Platí vztah
    `\varepsilon_r= \frac {\varepsilon}{\varepsilon_0}`

    ε ... absolutní permitivita materiálu (Fm-1),
    ε0 ... permitivita vakua = 8,854 · 10-12 Fm-1
  • Relativní permitivita u běžných dielektrik bývá v rozmezí εr = 2 – 300.
  • Feroelektrika mají značně vysokou hodnotu relativní permitivity, εr = 103 – 106, což značí, že u nich velmi snadno dochází k elektrické polarizaci (projevuje se samovolná polarizace, viz kap. 6.4.5).
  • Hodnoty relativní permitivity pro některá dielektrika jsou v tab. 6.1.
  • Připomeňme ještě známý vztah souvislosti elektrické indukce a intenzity elektrického pole
    `D=\varepsilon \cdot E = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot E`      (Cm-2; Fm-1, -, Vm-1)

    D … elektrická indukce (Cm-2),
    E … intenzita elektrického (elektrostatického) pole (Vm-1).
  • Také je dobré si připomenout výpočet kapacity deskového kondenzátoru, která závisí na druhu materiálu dielektrika (udáno hodnotou εr), ploše elektrod a tloušťce dielektrika
    `C = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \frac{S}{l}`      (F;Fm-1,- ,m2, m)

    S ... plocha elektrod (m2),
    l ... tloušťka dielektrika (m).
  • Technické izolanty nemívají často naprosto stejnorodou strukturu, ale obsahují nečistoty, dutinky apod., které snižují odolnost celého materiálu proti elektrickému namáhání. Tyto oblasti jsou pak možnými místy průrazu, proto se např. izolace často napouští impregnací. Je potřeba připomenout, že intenzita elektrického pole (elektrické namáhání) je větší v materiálu s nižší hodnotou relativní permitivity. Platí:
    `\frac {E_1} {E_2} = \frac {\varepsilon_{r2}} {\varepsilon_{r1}}`
    E1 … intenzita v materiálu s relativní permitivitou `\varepsilon_{r1}` (Vm-1),
    E2 … intenzita v materiálu s relativní permitivitou `\varepsilon_{r2}` (Vm-1).

6.5.2 Měrný elektrický odpor

  • Označuje se ρ, jednotka Ωmm2m-1, příp. Ωm, Ωcm.
  • Vyjadřuje odpor materiálu délky 1 metr a průřezu 1mm2, příp. 1m2.
  • Jedná se o hlavní parametr izolantů.
  • Měrný odpor izolantů dosahuje vysokých hodnot v rozmezí 1015 – 1023 Ωmm2m-1.
  • Hodnoty měrného elektrického odporu pro některé izolanty jsou v tab. 6.2.

6.5.3 Dielektrické ztráty

  1. Závisí na materiálu a na elektrickém poli.
  3. Celkové dielektrické ztráty jsou rovny součtu jednotlivých druhů ztrát.
  5. Následkem dielektrických ztrát se materiál ohřívá.
  7. Dielektrické ztráty popisují veličiny:
    1. Ztrátový činitel – viz kap. 6.5.4.
    3. Ztrátový výkon – Pz (W).
    5. Měrné dielektrické ztráty (hustota dielektrických ztrát) – pz (Wm-3).
  9. Druhy dielektrických ztrát:
    1. Vodivostní - při průchodu proudu dielektrikem vzniká Jouleovo teplo; jsou tím větší, čím je větší vodivost dielektrika. Rostou s teplotou a nezávisí na frekvenci.
    3. Polarizační - vznikají při ztrátových druzích polarizací (např. relaxační). Projevují se ve střídavých polích, jsou frekvenčně závislé. Též závisí na teplotě.
    5. Ionizační - vznikají při ionizaci dielektrika při velké intenzitě elektrického pole. Vznikají nejčastěji v plynech, ale také u nehomogenních pevných izolantů s dutinkami, v nich nastávají částečné výboje, což je nebezpečné zejména u VN zařízení.

6.5.4 Ztrátový činitel

  1. Podle velikosti ztrátového činitele lze posuzovat ztráty daného dielektrika. K vysvětlení použijeme fázorový diagram kondenzátoru (dielektrika), viz obr. 6.8. V případě ideálního kondenzátoru je fázový posun mezi napětím a proudem roven 90º a ztráty jsou nulové, ztrátový úhel δ=0. U skutečného kondenzátoru je fázový posun φ o něco menší než 90º. Ztrátový úhel δ=90º-φ.
  3. Ztrátový činitel = tgδ se udává v tabulkách pro různá dielektrika a izolanty, obvyklé hodnoty jsou 10-1 – 10-5. Je bez jednotky.
  5. Hodnoty ztrátového činitele pro některá dielektrika a izolanty jsou v tab. 6.1 a tab. 6.2.

Obr. 6.8: Fázorové diagramy ideálního a skutečného kondenzátoru – vysvětlení ztrátového činitele


6.5.5 Elektrická pevnost

  1. Elektrická pevnost je schopnost zachovávat si elektroizolační kvalitu (odolávat průrazu).
  3. Je to intenzita elektrického pole, při jejímž překročení dojde k průrazu dielektrika, nebo izolantu.
  5. Označuje se Ep, základní jednotka je Vm-1. Též se může udávat v dalších jednotkách: kVcm-1, MVm-1 apod.
  7. Platí vztah
    `E_p=\frac{U_p}{l}` (Vm-1;V,m-1)
    Up … průrazné napětí (V),
    l … tloušťka izolantu (m).
  9. Hodnoty elektrické pevnosti pro některá dielektrika a izolanty jsou v tab. 6.1 a tab. 6.2.
  11. U běžných dielektrik se hodnoty elektrické pevnosti pohybují v rozmezí 30 – 1 500 kVcm-1.
  13. Při intenzitě Ep začíná ionizace neutrálních částic hmoty.
Materiál εr tgδ
(při 1000KHz) 		Ep
kVcm-1
Polystyren (fólie) 2,5 10-4 900 – 1 200
Polyester (fólie) 3 10-2 1 800
Napouštěný papír 3,7 10-2 1 000 – 1 300
Mikanit (slídový izolant) 6 – 8 10-4 – 10-3 1 000
Steatit (z mastku) 6 – 150 2 . 10-3 200 – 450
Rutilit (TiO2) 110 5 . 10-1 100
Kondenzátorový olej 2,2 2 . 10-4 200
Permitit 105 10-1 200

Tab. 6.1: Hlavní vlastnosti některých dielektrik

Materiál ρ
Ωmm2m-1 		Ep
kVcm-1
Kabelový papír 1019 – 1021 500 - 600
PVC 1020 260 - 500
Polyetylen 1020 900 - 1 200
Polystyren 1021 – 1023 900 - 1 200
Porcelán 1018 100 - 300
Kamenina 1013 70 - 270
Transformátorový olej 1016 - 1019 40 - 300
Vzduch → ∞ 10 - 30

Tab. 6.2: Hlavní vlastnosti některých izolantů

6.5.6 Průraz izolantu

  • Průraz izolantu znamená ztrátu elektroizolační schopnosti. Průraz může být způsoben vysokou intenzitou elektrického pole, ale i dalšími vlivy (teplota, chemické stárnutí).
  • V plynech se jedná o čistě elektrický průraz. Na rozdíl od kapalin a pevných látek se v plynech po průrazu jejich elektrická pevnost obnovuje.
  • Druhy průrazu:
    1. Elektrický - trvá krátce (10-7 s); je způsobený nárazovou ionizací při vysoké intenzitě elektrického pole.
    3. Tepelný - rozvíjí se delší dobu (sekundy - minuty); vlivem dielektrických ztrát se izolant nadměrně ohřívá, přitom roste jeho elektrická vodivost a v důsledku toho může dojít k tepelné destrukci.
    5. Elektrochemický - trvá roky; dochází k němu vlivem elektrochemického stárnutí materiálu, což má za následek snížení elektrické pevnosti.
  • Každý průraz má 2 stadia:
    1. náhlé zvětšení elektrické vodivosti a průchod proudu izolantem,
    2. následek průchodu proudu (oblouk, roztavení, ohoření apod.).

6.5.7 Tepelné třídy izolantů


Norma ČSN EN 60085 ed. 2 dělí elektrickou izolaci do tepelných tříd, které byly uznané mezinárodně. Tepelná třída pro elektroizolační materiál představuje doporučenou maximální teplotu ve stupních Celsia pro nepřetržité použití. Tepelné třídy a příslušné teploty jsou v tab. 6.3.

Písmenné označení Y A E B F H N R -
Tepelná třída°C 90 105 120 130 155 180 200 220 250

Tab. 6.3: Přiřazení tepelných tříd


6.5.8 Měrné teplo

  • Měrné teplo izolantu má velký význam pro stanovení teploty izolace vinutí, které náhle dosáhne např. při zkratu.
  • Je to teplo, které je potřeba dodat 1 kg látky, aby se ohřál o 1ºC (1K).
  • Tepelné namáhání izolantu vede ke zhoršení jeho elektrických i mechanických vlastností, narušení struktury, rychlejšímu stárnutí.

6.5.9 Měrná tepelná vodivost

  • Definice měrné tepelné vodivosti viz kap. 4.3.5.
  • Měrná tepelná vodivost izolantu nám říká také to, jak je materiál schopen převádět teplo ve směru tepelného spádu (tedy z teplejších míst do chladnějších).
  • U elektrických strojů se izolační materiály zároveň využívají k odvádění tepla vzniklého ztrátami ve vinutí (např. transformátorový olej funguje zároveň jako izolant i chladivo).

6.5.10 Odolnost za tepla podle Martense

  • Je teplota, při které zkušební vzorek namáhaný na ohyb napětím 5MPa dosáhne průhybu určité velikosti nebo se poruší.
  • Stanovuje se pouze u termoplastů a reaktoplastů, např. pro polystyren je 70ºC.

6.5.11 Odolnost za tepla podle Vicata

  • Je teplota, při které ocelová jehla kruhového průřezu 1 mm2, na níž působí určitá síla, vnikne do zkušebního vzorku do hloubky 1 mm.
  • Stanovuje se jen termoplastů, např. pro teflon je 110ºC.

6.5.12 Viskozita

  • U kapalin a polotuhých látek se projevuje vnitřním třením mezi dvěma vrstvami látky.
  • Stanovuje se pouze pro oleje a laky.

6.5.13 Navlhavost a nasákavost

  • Navlhavost je schopnost přijímat vlhkost z okolního vzduchu. U izolantů je nežádoucí, protože vlhkost zvyšuje elektrickou vodivost.
  • Nasákavost je schopnost přijímat vodu. Je vždy větší než navlhavost. Je měřítkem pórovitosti látky. Opět je u izolačních materiálů nežádoucí. Malou nasákavost má např. teflon, velkou nasákavost mají polyamidy.

6.5.14 Mechanické vlastnosti

  • U izolačních materiálů se zjišťují podobné mechanické vlastnosti jako u jiných skupin materiálů, např. pevnost v tahu, tlaku, smyku, ohybu, tažnost, tvrdost.
  • Mechanické vlastnosti se ověřují zkouškami při krátkodobém i rázovém namáhání.

6.6 Anorganické izolanty

6.6.1 Struktura anorganických izolantů

  1. Anorganické izolanty dle svého názvu mají původ v anorganických látkách. Hlavní anorganické izolanty jsou slída, keramika, azbest a sklo.
  3. Základem většiny anorganických izolantů jsou křemičitany (silikáty). Podstatou jejich struktury jsou skupiny Si-O s velmi pevnými chemickými vazbami. Každý atom křemíku váže čtyři atomy kyslíku, které jsou prostorově rozloženy v rozích čtyřstěnu. Různým spojením čtyřstěnů se tvoří různá seskupení:
    1. řetězová struktura (azbest),
    2. plošná (slída),
    3. prostorová (sklo).

6.6.2 Slída

Slída má vrstvovou strukturu. Pro elektrotechnické izolanty se využívají dva druhy slídy:

  • Muskovit (slída draselná) je stříbřitě lesklý, průhledný, dobře se štípe na pružné lístky tloušťky 5 µm.
    Ep= 600 kVcm-1, tgδ = (1-3)·10-4, maximální teplotní odolnost 500–600ºC, εr= 6-7.
  • Flogopit (slída hořečnatá) je světle hnědý, měkčí, ohebnější, hůře se štípe.
    Má sice nižší elektrickou pevnost a trochu vyšší ztrátový činitel, ale větší teplotní odolnost až do 900ºC.

Fotografie muskovitu a flogopitu jsou na obr. 6.9 a obr. 6.10.

Obr. 6.9: Slída - muskovit Obr. 6.10: Slída - flogopit

Druhy slídových izolantů:

  1. a) Izolanty z čisté slídy - k jejich výrobě se nepoužívá pojivo.
    1. Destičky z muskovitu se využívají jako dielektrikum v kondenzátorech.


  2. b) Vrstvené izolanty ze štípané slídy – vyrábějí se deskové a svitkové.
    1. Mikanity (viz obr. 6.11) – lístky štípané slídy (muskovitu nebo flogopitu) se ukládají do vrstev, které se slepí pojivem (lak, pryskyřice) a slisují na desku za vyšší teploty a tlaku.
      Některé druhy mikanitů:
      1. komutátorový (2% pojiva),
      2. prokládací,
      3. ohebný (20% pojiva),
      4. mikanit k ražení (10% pojiva).
      Mikanity se používají pro izolaci u elektrických strojů.
    3. Svitkové izolanty, např. mikafolium – lístky slídy se lepí v jedné nebo více vrstvách pojivem na podklad (papír nebo skleněná tkanina). Používají se např. na ovíjení a nažehlování izolací cívek VN.
    5. Slídová páska se používá opět pro izolaci vodičů cívek elektrických strojů.

  3. c) Vrstvené izolanty z remiky (remika se vyrábí z mleté slídy):
    1. Remikanity (viz obr. 6.12) se vyrábějí vrstvením listů remiky na potřebnou tloušťku. Opět mají uplatnění v oblasti elektrických strojů. Některé druhy remikanitů:
      1. komutátorový,
      2. prokládací,
      3. žárový.
Obr. 6.11: Mikanity Obr. 6.12: Remikanity

6.6.3 Azbest (osinek)

Azbest je přírodní materiál s vláknitou strukturou. Má vysokou tepelnou odolnost, je nehořlavý. Azbest se vyskytuje v několika modifikacích, které se liší délkou vláken. Pro elektrotechniku se používaly dva druhy azbestu:

  • Chryzotil – měkká dlouhá pružná vlákna;
  • Krokydolit– krátká tvrdá vlákna.

Vlákna se zpracovávala na přízi, nitě, tkaniny, papír, lepenku.

Dnes se azbest nepoužívá, protože je karcinogenní, nahrazuje se jinými materiály.

Fotografie chryzotilu a krokydolitu jsou na obr. 6.13 a obr. 6.14.

Obr. 6.13: Azbest - chryzotil Obr. 6.14: Azbest - krokydolit

6.6.4 Keramika

Suroviny pro výrobu keramických elektroizolačních materiálů jsou kaolin, jíly, křemen, živec, mastek, oxid uhličitý, oxidy hliníku, titanu, zinku, voda, škrob, vodní sklo, lisovací oleje, cement, soda, pryskyřice.
Pro různé druhy keramických materiálů se využívají různé suroviny z tohoto přehledu.


Postup výroby:

  • Suroviny se namelou, smíchají.
  • Tvářením, lisováním do kovových forem, nebo litím se vytvaruje se požadovaný tvar.
  • Polotovar se pak suší, aby se odstranila přebytečná voda.
  • Následně se vypaluje v peci při teplotách 1200 – 1400ºC, čímž dojde v materiálu k přeměně struktury a chemického složení. Přitom se výrobek smršťuje o 3 – 25%.
  • Pak se nanese glazura (poleva) pro hladký a stálý povrch a znovu se vypálí. Glazura chrání výrobek před vlhkostí a dalšími chemickými a mechanickými vlivy.
  • Nakonec se provádí broušení, řezání, vrtání apod.

Vyrobené keramické materiály se vyznačují dobrými elektroizolačními vlastnostmi, časovou stálostí vlastností a odolností proti vysokým teplotám, proti náhlým změnám teploty, chemickým a povětrnostním vlivům a vlhkosti. Keramika je tvrdá a křehká.



Druhy keramických materiálů pro elektrotechniku:

  1. Porcelán se vyrábí z jílu, kaolinu, křemene a živce. Vypaluje se při teplotách 1280 – 1450ºC. Lze ho používat do teploty 1100ºC. Je málo nasákavý, teplotně stálý. Vykazuje velké dielektrické ztráty, a proto je nevhodný pro vysoké frekvence. Používá se pro izolátory na venkovním elektrickém vedení (viz obr. 6.15), pro průchodky u transformátorů, jako nosník v tepelných spotřebičích, např. elektrických sporácích, teplometech a v rozvodových skříních silových rozvodů NN.

  2. Obr. 6.15: Keramické izolátory na venkovním vedení

  3. Steatit – hlavní surovinou je mastek. Vypaluje se při teplotách 1300 – 1400ºC. Má dobrou mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti i při vyšších teplotách než porcelán. Vzhledem k malým dielektrickým ztrátám při vyšších frekvencích je vhodný k použití v měřících přístrojích, relé, elektrotepelných zařízeních i pro vysoké frekvence. Používá se též pro keramická ochranná pouzdra pro uložení tavného drátu výkonové pojistky, viz obr. 6.16.
  5. Stealit se označuje jako maloztrátový steatit. Má ještě lepší elektrické vlastnosti než steatit. Používá se např. pro kostry cívek pro vysoké frekvence.

  6. Obr. 6.16: Keramická ochranná pouzdra pro uložení tavného drátu výkonové pojistky

  7. Kamenina má chemické složení podobné jako porcelán, vyrábí se z méně čistých surovin. Vypaluje se při 1200ºC. Má elektrické i mechanické vlastnosti horší než porcelán. Používá se pro výrobu velkých izolátorů.
  9. Oxidická keramika (berylnatá, zirkoničitá, korundová, lithná) má vysokou teplotní odolnost (až 2000ºC). Je teplotně stálá. Používá se na součástky, které jsou silně tepelně namáhané, nebo vystavené velkým změnám teploty.
  11. Keramika pro kondenzátory se dělí podle závislosti permitivity na teplotě:
    1. materiály s lineárním průběhem teplotní závislosti εr - stabilit, rutilit, negatit; používají se pro kondenzátory pro stabilní vysokofrekvenční obvody;
    3. materiály s nelineárním průběhem teplotní závislosti εr - permitit – pro kondenzátory pro blokovací účely; tyto materiály mají vysokou relativní permitivitu.
  12. Podrobněji o keramických kondenzátorech pojednává kap. 6.10.2.

6.6.5 Sklo

Jako suroviny k výrobě skla se používají křemenný písek, soda a vápenec, případně oxidy, které ovlivňují vlastnosti výsledného skla (např. oxid hořčíku, vápníku a zinku).


Postup výroby:

  • Suroviny se rozemelou.
  • Z rozemletých surovin se vytvoří sklářský kmen.
  • Sklářský kmen se taví při teplotách 1400 – 1600ºC. Přitom se provádí tzv. čeření, tavenina se zbavuje bublinek plynu.
  • Sklo se tvaruje foukáním, lisováním, tažením, válcováním.
  • Nakonec se sklo ochladí.

Vlastnosti skla závisí na chemickém složení (přísadách). Sklo je amorfní látka, vyznačuje se iontovou vodivostí, je dobrý izolant při nižších teplotách, jeho elektrická vodivost se zvyšuje s teplotou exponenciálně. Sklo má také vysokou tepelnou vodivost. Vykazuje velkou elektrickou pevnost (103 kVcm-1). Je tvrdé, křehké, pevnost v tlaku je vyšší než v tahu. Optické vlastnosti skla jsou závislé na jeho složení.


Druhy skla:

  • Křemenné sklo obsahuje čistý oxid křemičitý, je velmi kvalitní a drahé. Má velmi malou teplotní roztažnost. Používá se pro kostry cívek pro vysokofrekvenční techniku a výrobu kvalitních optických vláken, viz. kapitola 8.8.8.
  • Boritokřemičitá skla – více druhů s různým složením a vlastnostmi, obsahují oxid boritý. Lze je použít např. k výrobě skelných vláken, izolátorů na venkovní vedení (viz obr. 6.17), desek plošných spojů spojením skelných vláken s epoxidem.
  • Olovnatá skla se používají hlavně ve vakuové elektrotechnice.
  • Speciální skla tvrzená (zvětší se mechanická pevnost náhlým ochlazením), spékaná, elektricky vodivá skla (cermetové potenciometry); magnetická skla se používají ve speciálních aplikacích.

Obr. 6.17: Skleněné izolátory


6.7 Organické pevné izolanty

6.7.1 Struktura organických izolantů


Základem jsou makromolekulární látky – polymery, základní stavební jednotka polymerů se nazývá monomer. Podle počtu monomerů v polymeru se mění fyzikální vlastnosti materiálu. Polymerační stupeň je průměrný počet základních jednotek v makromolekule. Příklad monomeru a polymeru je na obr. 6.18.


Obr. 6.18: Molekula monomeru (etylen) a polymeru (polyetylen)


Velmi důležité je uspořádání molekul monomeru v makromolekule.

  1. a) Lineární uspořádání – základní jednotky jsou v řetězcích, které jsou propletené, ale nejsou nijak spojené, viz obr. 6.19.

    2. Obr. 6.19: Lineární uspořádání řetězců polymeru

  2. b) Rozvětvené uspořádání – základní jednotky jsou v dlouhých řetězcích s bočními vazbami, viz obr. 6.20. Toto uspořádání představuje pevnější vazbu mezi makromolekulami.

    3. Obr. 6.20: Rozvětvené uspořádání řetězců polymeru


    Lineární a rozvětvené uspořádání se objevuje u termoplastů a elastomerů.


  3. c) Prostorové uspořádání – dlouhé řetězce jsou vzájemně propojeny do prostorových útvarů, viz obr. 6.21. Zde je nejpevnější vazba mezi makromolekulami.

  4. Obr. 6.21: Rozvětvené uspořádání řetězců polymeru


Prostorové uspořádání se objevuje u reaktoplastů (tzv. zesíťování).
Struktura má vliv na vlastnosti příslušného organického izolantu.


6.7.2 Vznik polymerů


Makromolekulární látky vznikají polymerací, polykondenzací, nebo polyadicí.

  • Polymerace – vysoká rychlost reakce, polymer vzniká ze stejných monomerů, nevzniká vedlejší produkt; příklady vzniklých polymerů jsou PVC, nebo polyetylen, viz obr. 6.18.
  • Polykondenzace – malá rychlost reakce, makromolekula roste geometrickou řadou ze dvou různých monomerů, vzniká vedlejší produkt; příkladem jsou polyamidy.
  • Polyadice – malá rychlost reakce, ze dvou různých monomerů, nevzniká vedlejší produkt; takto vznikají např. epoxidy.

6.7.3 Rozdělení organických pevných izolantů

  • Přírodní polymery: přírodní oleje, pryskyřice, dřevo, bavlna, vlna, atd.
  • Polosyntetické polymery: celuloid, celofán, viskóza, umělé hedvábí, celulozové plasty.
  • Syntetické polymery: plasty (reaktoplasty, termoplasty, elastomery).

6.7.4 Suroviny pro chemickou výrobu plastů

  • Přírodní kaučuk, pryskyřice;
  • Zemní plyn, ropa, hnědé uhlí;
  • Acetylén, chlorovodík, oxid křemičitý.

6.7.5 Reaktoplasty (duroplasty, termosety)

Společné vlastnosti:

  • Vytvrzují se teplem, případně přidáním tvrdidla.
  • Vytvrzením dojde k zesíťování řetězců, takže jsou tepelně velmi odolné i mechanicky pevné.
  • Po vytvrzení již nemění při ohřívání tvar.
  • Při přehřátí uhelnatí.

Druhy:

  1. Fenoplasty
    1. Základní složka = fenolformaldehydová pryskyřice.
    3. Firemní názvy: např. Bakelit, Skloplast.
    5. tgδ = 10-2, Ep = 80 kVcm-1, εr = 4,5, maximální provozní teplota -80 až +300ºC.
    7. Použití: krabice, ovládací knoflíky, přepážky.

  2. Velmi známým fenoplastem je bakelit, který vzniká polykondenzací fenolu s formaldehydem, viz obr. 6.22. Tyto dvě sloučeniny při zvýšené teplotě navzájem exotermicky (při uvolňování tepla) reagují za vzniku tuhého kondenzátu – pryskyřice. Po oddestilování vody vzniklé při reakci zůstane jen měkká hmota, která se dá tvarovat pomocí forem.


    Obr. 6.22: Vznik bakelitu


  3. Aminoplasty
    1. Aminoplasty jsou bezbarvé syntetické pryskyřice, jsou rozpustné ve vodě a odolné proti elektrickému oblouku.
    3. Lze je dobře obarvovat a použít pak např. pro kryty měřících přístrojů a domácích spotřebičů.
    5. Vrstvený materiál z aminoplastů je známý umacart.
  5. Epoxidové pryskyřice
    1. Epoxidové pryskyřice mají malou navlhavost a nasákavost.
    3. Ep = 250 kVcm-1, tgδ = 2.10-2, εr = 3,7, maximální provozní teplota 150ºC.
    5. Používají se jako zalévací hmoty, dvousložková lepidla, izolační a ochranné laky.
  7. Polyesterové pryskyřice
    1. Ep = 1 800 kV/cm, tgδ = 2.10-3, εr = 3-3,5, maximální provozní teplota 250ºC.
    3. Používají se pro fólie pro svitkové kondenzátory, zalévací hmoty, pro výrobu sklolaminátů.

6.7.6 Termoplasty


Společné vlastnosti:

  • Po ohřátí měknou, přecházejí do plastického stavu.
  • Lze je snadno vyrobit vstřikováním do forem a odléváním.

Druhy:

  1. Polystyren (PS)
    1. Polystyren je nejstarší synteticky vyráběný termoplast.
    3. Má malou teplotní odolnost, je hořlavý.
    5. Má dobré dielektrické vlastnosti, proto se používá jako fólie v kondenzátorech.
    7. Ep = 1000 kVcm-1, tgδ = 10-4, εr = 2,5, maximální provozní teplota 60ºC.
    9. Používá se pro kostry cívek, kryty, průhledy, tlačítka.
    11. Polystyrenová fólie Styroflex se využívá jako dielektrikum v kondenzátorech.
    13. Pěnový polystyren lze použít jako tepelnou nebo zvukovou izolaci a obalový materiál.
  3. Polyethylentereftalát (PET)
    1. Patří do skupiny polyesterů. V elektrotechnice se příliš neuplatňuje, ale vzhledem k tomu, že se z něj vyrábějí textilní vlákna a plastové láhve, je velmi známý. Postup výroby PET láhví ukazuje video 6.1.

    2. Video 6.1: Výroba PET lahví

  5. Polymetylmetakrylát (PMMA), též organické sklo
    1. Má větší teplotní odolnost než polystyren.
    3. Zháší elektrický oblouk, je odolný proti povrchovým (plazivým) proudům.
    5. tgδ = 5·10-2, maximální provozní teplota 105ºC.
    7. Odolává vlhkosti a plísním.
    9. Má výborné optické vlastnosti, propouští ultrafialové záření.
    11. Je pevný, křehký.
    13. Vyrábějí se z něj plastová optická vlákna.
    15. Využívá se také např. pro kryty přístrojů, clony ve vysokonapěťových jiskřištích.
    17. Jeden z obchodních názvů je Plexisklo.
  7. Polyamidy (PA)
    1. Mají vysokou mechanickou houževnatost a odolnost proti otěru.
    3. tgδ = 3·10-3, εr = 3,5, maximální provozní teplota 200ºC.
    5. Lze je použít pro izolace vodičů do suchého prostředí (jsou navlhavé), kryty přístrojů, konstrukční díly, ale i jako textilní vlákna (Nylon, Silon).
  9. Polyetylén (PE)
    1. Vyrábí se jako LDPE (nízkohustotní) a HDPE (vysokohustotní), poprvé byl vyroben v roce 1891.
    3. Je lehčí než voda, má měkký povrch.
    5. Polyetylen má vynikající odolnost proti velké řadě agresivních chemikálií.
    7. Velmi dobře se svařuje, ale téměř se nedá lepit.
    9. Vzniká polymerací ethanolu (ethenu), viz obr. 6.18.
    11. Ep = 1000 kVcm-1, tgδ = 2· 10-4, εr = 2,3, maximální provozní teplota 80ºC, zesíťovaný 95ºC.
    13. HDPE se používá k výrobě trubek, pro izolaci kabelů NN, kryty přístrojů.
    15. LDPE lze použít též pro izolaci kabelů NN, na fólie apod.
    17. Vyrábí se také zesíťovaný polyetylen XE, který má díky síťování řetězců vyšší teplotní i elektrickou odolnost a používá se pro izolaci kabelů vysokého a velmi vysokého napětí. Na obr. 6.23 jsou kabely 110 kV s izolací ze zesíťovaného polyetylenu.

    10. Obr. 6.23: Kabely 110 kV s izolací XE


  10. Polypropylén (PP)
    1. Má větší mechanickou pevnost než polyetylén, podobné elektrické vlastnosti.
    3. Maximální teplota použití je až do 130ºC.
    5. Lze ho použít pro izolaci kabelů, fólie pro svitkové kondenzátory, potrubí, armatury.
  12. Polytetrafluoretylen (PTFE - Teflon)
    1. Ep = 400 kVcm-1, tgδ = 1· 10-4, εr = 4,5, maximální provozní teplota 320ºC.
    3. Má vysokou teplotní a chemickou odolnost.
    5. Strukturní vzorec je na obr. 6.24.
    7. V elektrotechnice se používá pro náročné aplikace vodičů a vzhledem ke svým výborným kluzným vlastnostem i na ložiska.

    13. Obr. 6.24: Strukturní vzorec teflonu


  13. Polyvinylchlorid (PVC)
    1. Další firemní názvy: Igelit (měkčený), Novodur (tvrzený).
    3. Ep = 300 kVcm-1, tgδ = 3· 10-2, εr = 3,5, maximální provozní teplota 70ºC.
    5. Je chemicky odolný proti louhům, zředěným kyselinám, olejům, benzínu a lihu.
    7. Strukturní vzorec PVC je na obr. 6.25.
    9. Jedná se o nejpoužívanější plast pro izolaci kabelů nízkého napětí.
    11. Vyrábí se jako měkčený a neměkčený.
    13. Neměkčený se používá např. v chemickém průmyslu a stavebnictví (potrubí, desky) a v elektrotechnice (kabelové průchodky, koncovky).
    15. Měkčený PVC se nejčastěji používá jako izolace vodičů a kabelů NN, viz obr. 6.26.
    17. Výrobu PVC doprovází vznik nebezpečných dioxinů, které patří mezi rizikové toxické látky. Při výrobě může do prostředí uniknout toxický chlór, případně i karcinogenní vinylchlorid.

    14. Obr. 6.25: Strukturní vzorec PVC


    Obr. 6.26: Měkčený PVC - izolace žil


6.7.7 Elastomery

Společné vlastnosti:

  • Vyznačují se velkou pružností.
  • Jejich molekuly jsou v klidu neuspořádány a mají spirálovitě zakroucený tvar, při deformaci se napřimují, po uvolnění se vracejí do původní polohy.
  • Zlepšení vlastností se dosahuje tzv. vulkanizací, při které se provádí síťování řetězců.

Druhy elastomerů:

  1. Přírodní kaučuk
    1. Zdrojem je latex (šťáva z kaučukovníku, která obsahuje 30 – 40% částeček kaučuku), ten se sráží na surový kaučuk, který se dodává do gumáren, tam se upravuje vulkanizací při teplotách nad 130°C a dále se zpracovává na pryž.
    3. Na obr. 6.27 je vidět strom kaučukovník a odkapávání latexu zpod jeho kůry.
    5. Pryž dělíme na měkkou a tvrdou.
    7. Měkká pryž obsahuje 2,5 % síry, používá se pro izolaci vodičů a kabelů, těsnění apod. Pokud se používá jako izolace pro měděného vodiče, je třeba nejprve vodič pocínovat, aby síra v pryži nereagovala s mědí.
    9. Tvrdá pryž obsahuje 40 – 50% síry, vyrábějí se z ní např. trubky. Též se využívá pro ochranu galvanických van (např. niklovací a zinkovací lázně).
    11. Nevýhodou pryže z přírodního kaučuku je nízká teplotní odolnost a chemické stárnutí.

    2. Obr. 6.27: Kaučukovník


  2. Syntetické kaučuky
    1. Mají vyšší teplotní odolnost než přírodní kaučuk, jsou mrazuvzdorné (až do -80ºC).
    3. Vyrábějí se z destilačních produktů ropy.
    5. Používají se často v kombinaci s přírodním kaučukem.
    7. Patří sem např. butadienový, chloroprenový a silikonový kaučuk.
    9. Vzhledem k velké mrazuvzdornosti je lze využít v letecké technice, dále se používají i pro vysokofrekvenční vodiče a koaxiální kabely do mrazu.


6.7.8 Recyklace plastů

V současné době, kdy se plasty využívají velmi hojně, je jejich recyklace zvláště důležitá. Je vhodnější než likvidace spalováním nebo ukládáním na skládky, i když ji nelze provádět stoprocentně. Ve videu 6.2 si lze prohlédnout postup recyklace plastů.

Video 6.2 Recyklace plastů


6.8 Kapalné izolanty

  1. Obvykle se vyznačují kovalentní chemickou vazbou.
  3. Voda a nečistoty zvětšují jejich elektrickou vodivost.
  5. Můžeme je rozdělit na
    1. minerální oleje,
    3. rostlinné oleje,
    5. syntetické kapaliny.

6.8.1 Minerální oleje

Vyrábějí se z ropy destilací – nejdříve odstraní petrolejové a benzínové složky – zbude mazut, další destilací se oddělují lehké a těžké olejové složky, pak se čistí a přidávají se přísady (antioxidanty).


Vlastnosti:

  1. εr = 2,1 – 2,4, tgδ = 10-4, EP = 200 – 300kVcm-1.
  3. Hustota je 880 - 960 kg. m-3 , teplota tuhnutí pod -40°C.
  5. Důležitým parametrem olejů je bod vzplanutí, tj. teplota, pod kterou se nesmějí uvolňovat z oleje zápalné plyny. U minerálních olejů je teplota vzplanutí nad 130ºC.
  7. V provozu stárnou – vytvářejí se v nich kaly a zplodiny, je nutné je regenerovat (po zahřátí se odstředí a filtrují).
  9. Jsou hořlavé.

Druhy:

  1. Transformátorové oleje
    1. Světložlutá barva.
    3. Velký vliv má viskozita a její teplotní závislost (při nízkých venkovních teplotách nesmí klesnout pod určitou hodnotu).
    5. Používají se v transformátorech, velkých výkonových vypínačích jako izolace a zároveň chlazení. Obr. 6.28 ukazuje požár olejového transformátoru.
  3. Kabelové oleje
    1. Červenohnědá barva.
    3. Při impregnaci (115 – 130°C) má být viskozita nízká, aby olej dobře zatekl do dutin, v provozních podmínkách (nižší teplota) má být viskozita maximální, aby olej nestékal.
    5. Používají se k napouštění izolace silových kabelů, případně do vypínačů.
    7. K impregnaci kabelů se nepoužívá olej samotný, ale olejové kompaundy s kalafunou, nebo syntetickými pryskyřicemi, které snižují stékavost a prodlužují životnost izolace.
  5. Kondenzátorové oleje
    1. Světložlutá barva.
    3. Napouští se jim papír tvořícího dielektrikum kondenzátoru.

    6. Obr. 6.28: Požár olejového transformátoru


6.8.2 Rostlinné oleje

  • Vyrábějí se lisováním rostlinných semen.
  • Mohou být vysýchavé (např. lněný olej), nebo nevysýchavé (ricinový olej).
  • tgδ = (1 - 3). 10-2, εr = 1 - 5.
  • Lze je použít do elektroizolačních laků, nebo napouštění papíru pro kondenzátory.
  • Používají se v elektrotechnice již velmi málo.

6.8.3 Syntetické kapaliny

  1. Mají výborné izolační a dielektrické vlastnosti.
  3. Jsou nehořlavé, nevýbušné, mají vysokou stabilitu a prakticky nestárnou.
  5. Ve srovnání s minerálními oleji jsou drahé.
  7. Polybuteny
    1. εr = 2,2, tgδ = 8.10-3, Ep = 180 kVcm-1.
    3. Teplotně stabilní, nejsou ekologicky závadné.
    5. Používají se pro impregnaci kabelů a kondenzátorových papírů.
  9. Chlorované difenyly
    1. Výpary škodí zdraví, dnes již zakázané.
  11. Fluorované uhlovodíky
    1. Vysoká hustota, použití až do 250°C.
    3. Lze je využít pro chlazení a izolace v transformátorech.
    5. Jsou ale ekologicky závadné (při výbojích se uvolňují fluorované plyny).

6.9 Plynné izolanty

6.9.1 Vlastnosti plynných izolantů

  1. Mají malou hustotu, jsou stlačitelné, rozpínavé.
  3. tgδ = 10-6 – 10-5,, εr → 1.
  5. Ve srovnání s kapalinami a pevnými izolanty mají menší elektrickou pevnost, ale po průrazu se obnovuje.
  7. Elektrická pevnost závisí na vzdálenosti elektrod, teplotě a tlaku.

6.9.2 Vzduch

  1. Čistý suchý má εr = 1,000 53.
  3. Ep = 10 – 30 kVcm-1 (závisí na vlhkosti a čistotě), tgδ = 10-6.
  5. Využívá se pro izolaci venkovního vedení, pro chlazení a izolaci u vzduchových transformátorů a jako dielektrikum ve vzduchových kondenzátorech, viz kap. 6.10.1.

6.9.3 Vodík

  1. Vodík má nejvyšší tepelnou vodivost z plynů.
  3. Je 14x lehčí než vzduch, εr = 1,000 61, malá Ep.
  5. Je hořlavý, výbušný ve směsi se vzduchem.
  7. Používá se pro chlazení velkých točivých strojů. V porovnání se vzduchem může odvést více tepla, takže se tím zvýší účinnost stroje.
  9. Dobře chrání kovové části před oxidací.
  11. Vodík se používá také k plnění výbojek,v elektrických pecích jako redukční, nebo reakční atmosféra, jako zhášecí prostředek v elektrických vypínačích.

6.9.4 Dusík

  1. Je lehčí než vzduch, má menší Ep než vzduch.
  3. Ve stlačeném stavu se používá k plnění vysokonapěťových kabelů a kondenzátorů.
  5. Další možnost použití je jako inertní atmosféra bránící oxidaci izolačních olejů v transformátorech, chladící médium v kryogenní technice.

6.9.5 Vzácné plyny (He, Ne, Ar, Kr, Xe)

  1. Vyrábějí se frakční destilací ze vzduchu.
  3. Jsou chemicky netečné k ostatním prvkům.
  5. Používají se jako náplně výbojek, žárovek, zářivek nebo pro ochrannou atmosféru např. při výrobě polovodičů.

6.9.6 SF6 – hexafluorid síry

  1. Má asi třikrátvětší Ep než vzduch, ve stlačeném stavu se jeho elektrická pevnost blíží pevnosti kapalných izolantů.
  3. Má také vynikající zhášecí schopnost.
  5. Je nehořlavý, není jedovatý, bez zápachu a má schopnost zachycovat volné elektrony.
  7. Používá se ve vypínačích, v zapouzdřených rozvodnách, kde jsou části pod napětím uloženy v pouzdrech plněných stlačeným SF6, viz obr. 6.29.

Obr. 6.29: Zapouzdřená rozvodna


6.10 Druhy kondenzátorů

Každý kondenzátor tvoří dvě kovové elektrody a dielektrikum umístěné mezi nimi. Některé typy kondenzátorů jsou naznačeny na obr. 6.30.


Obr. 6.30: Příklady základních typů kondenzátorů
a) svitkový; b) elektrolytický; c) vzduchový otočný;
1- vývody, 2- pouzdro, 3 a 5- elektrody, 4- dielektrikum, 6- pevná elektroda, 7- otočná elektroda


6.10.1 Vzduchové kondenzátory

  1. Jedná se o nejjednodušší druh kondenzátorů.
  3. Dielektrikum tvoří vzduch, případně vakuum.
  5. Elektrody jsou obvykle z duralu (viz kap. 4.7).
  7. Kapacitu je obvykle možné měnit otáčením desek, čímž se mění jejich plocha a tím i velikost kapacity, viz 6.30 c.
  9. Používají se často jako ladící kondenzátory.

6.10.2 Keramické kondenzátory

  1. Jedná se o nejpoužívanější kondenzátory.
  3. Jako dielektrikum se používá:
    1. Steatit, stabilit, nebo rutilit (pro nízké kapacity a přesné hodnoty);
    3. Permitit - baryumtitanát BaTiO3, (feroelektrikum), může se polarizovat samovolně. Tyto kondenzátory vykazují velkou kapacitu a miniaturní rozměry.
  5. Podle tvaru dělíme keramické kondenzátory na:
    1. Diskové a terčové – mají kruhový tvar přesně stanoveného průměru a tloušťky s napařenými stříbrnými elektrodami.
    3. Plošné – mají čtvercový, nebo obdélníkový tvar, po obou stranách destičky jsou napařeny elektrody.
    5. Trubičkové – tvoří je trubička zevnitř i zvenku postříbřená.
    7. Průchodkové - tvoří je keramická trubička, v níž je umístěn vodič spojený s vnitřní elektrodou, vnější elektroda je upravena pro připájení či přišroubování na kostru zařízení, popř. desku plošných spojů.

6.10.3 Fóliové (vinuté) kondenzátory

  1. Vlastnosti fóliových kondenzátorů závisejí na materiálu dielektrika a technologii výroby. Konstrukci svitkového kondenzátoru je vidět na obr. 6.30 a.
  3. Používaná dielektrika:
    1. Plasty:
      1. Styroflex (polystyrenová fólie) – vhodný pro vysokofrekvenční kondenzátory;
      3. Polyester – vhodný pro stejnosměrné napětí;
      5. Polypropylen – vhodný pro impulsní provoz;
      7. Polykarbonát – vhodný pro měřicí přístroje;
      9. Teflon – má vysokou teplotní odolnost.

      Plastové kondenzátory jsou vhodné pro vysoké frekvence. Používají se též pro účely kompenzace účiníku v síti nízkého i vysokého napětí, protože mají malou závislost kapacity na teplotě.

    3. Papír:

      Dielektrikum tvoří speciální papír vyrobený z dřevěné buničiny, který musí být co nekvalitnější. Kondenzátor se skládá ze dvou vrstev papíru a hliníkových fólií. Vrstvy jsou pak společně stočeny do svitku tak, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost. Pak je zasunut do kovového pouzdra nebo zastříknut do plastické látky. Problémem u papírových kondenzátorů je navlhavost, kvůli které se během používání postupně zhoršují izolační vlastnosti dielektrika. V současné době jsou pro své velké rozměry využívány pouze v oblasti silové elektrotechniky.


6.10.4 Slídové kondenzátory

  • Dielektrikum tvoří slída (nejčastěji čistý muskovit), na něj se napaří stříbrné elektrody.
  • Mají časovou a teplotní stabilitu, malé ztráty. Jsou vhodné do rezonančních obvodů.

6.10.5 Elektrolytické kondenzátory

  1. Princip:
    1. Kovová fólie se naleptá, tím se v ní vytvoří dolíčky a vlastně se zvětší její povrch.
    3. Na něm se pak elektrolýzou vytvoří velmi tenká vrstva oxidu hliníku, nebo tantalu, která představuje dielektrikum elektrolytického kondenzátoru.
  3. Tyto kondenzátory mají velkou plochu elektrod a přitom velmi malou tloušťku dielektrika, takže mohou dosahovat vysoké kapacity.
  5. Je potřeba dát pozor na polaritu napětí, aby nedošlo k přepólování.
  7. Hliníkové:
    1. Dielektrikum tvoří oxid hlinitý Al2O3.
    3. Mají samoregenerační schopnost – pokud je oxid proražený při zkratu, elektrolytickým samonanášením se opět brzy zacelí.
    5. Vysychají a ztrácí kapacitu (horizont 15 let).
    7. Mohou vybouchnout při místním přehřátí.
    9. Patří sem i tzv. bipolární kondenzátory, jejichž obě elektrody jsou pokryty dielektrikem. Takový kondenzátor je možné si představit jako dva sériově spojené kondenzátory s obrácenou polarizací. Tyto kondenzátory se používají např. u asynchronních motorů a jako kondenzátory rozběhové. Nevýhodou je jejich vysoká náchylnost k průrazu.
  9. Tantalové:
    1. Dielektrikum tvoří oxid tantalu Ta2O5.
    3. Mají menší průchozí proudy než hliníkové.
    5. Vyrábějí se v miniaturním provedení.
    7. Používají se obvykle pro napětí do 50 V.
    9. Mívají vyšší kapacitu než hliníkové.
    11. Při záměně polarity dochází téměř okamžitě k trvalému průrazu.

6.10.6 Superkondenzátory

  1. Označují se též jako Gold Cap.
  3. Jedná se o speciální kondenzátory malých rozměrů s kapacitou až stovek Faradů. Této velké kapacity se dosahuje pomocí speciálních porézních elektrod.
  5. Není možné je nabíjet a vybíjet velkými proudy, při hodnotách proudu vyšších než několik mA dochází k poškození.
  7. Vyrábějí se nejčastěji pro napětí okolo 5 V.
  9. Umožňují náhradu záložních baterií v mnoha aplikacích.
  11. Příklad superkondenzátoru s vysokou kapacitou je na obr. 6.31.

Obr. 6.31: Superkondenzátor


6.10.7 Varikapy

  1. Varikap (kapacitní dioda) je v podstatě polovodičová dioda, která slouží jako proměnný kondenzátor závislý na napětí.
  3. Využívá se toho, že každý přechod PN má v závěrném směru určitou kapacitu, která se mění s šířkou přechodu PN. Šířka přechodu PN závisí na přiloženém napětí v závěrném směru.
  5. Využívají se v ladicích obvodech, obvodech pro kmitočtově modulované vysílače a dalších.


6.11 Kontrolní otázky



Zdroje:

[1] DRÁPALA Jaromír, KURSA Miroslav. Elektrotechnické materiály, učební texty [online]. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava 2012. ISBN 978-80-248-2570-0. [vid. 2. 4. 2016].
Dostupné z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/ETMAT/Elektrotechnicke%20materialy.pdf

[2] MALÝ Z., SIMERSKÝ M. Elektrotechnologie Elektrotechnické materiály. Praha: SNTL 1980. 340 stran.

[3] WASYLUK R. Elektrotechnologie pro školu a praxi. Praha: Scientia, s.r.o., 2004. 366 stran. ISBN 80-7183-306-1.

[4] ČSN EN 60085, ed.2 (330250) Elektrické izolace - Tepelné hodnocení a značení. Srpen 2008 UNMZ.


Média:


Obr. 6.1 archiv autorky

Obr. 6.2 archiv autorky

Obr. 6.3 archiv autorky

Obr. 6.4 archiv autorky

Obr. 6.5 archiv autorky

Obr. 6.6 archiv autorky

Obr. 6.7 archiv autorky

Obr. 6.8 archiv autorky

Obr. 6.9 Písečná u Jeseníku [fotografie]. In: Mineralogie pro školy - Přehled minerálů - muskovit [online]. 640x480. Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy v Praze [vid. 14. 5. 2016]. Dostupné z: http://web.natur.cuni.cz/ugmnz/mineral/mineraly.html

Obr. 6.10 Tmavě hnědý tabulkovitý krystal flogopitu. Lokalita Sljudjanka, Bajkal, sbírky ÚGV č. 11059 [Fotografie]. In: Atlas minerálů - Flogopit [online]. © Václav Vávra Ústav geologických věd, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita [vid 14. 5. 2016]. Dostupné z: http://mineraly.sci.muni.cz/fylosilikaty/flogopit_101.html

Obr. 6.11 archiv autorky

Obr. 6.12 archiv autorky

Obr. 6.13 Chryzotil [fotografie]. In: Azbest [online]. 217x619,2. © omnipure.cz 2016 [vid. 14. 5. 2016]. Dostupné z: http://omnipure.cz/azbest/

Obr. 6.14 Krokydolit [fotografie]. In: Azbest [online]. 600x600. © omnipure.cz 2016 [vid. 14. 5. 2016]. Dostupné z: http://omnipure.cz/azbest/

Obr. 6.15 archiv autorky

Obr. 6.16 "Pojistková pouzdra [fotografie]. In: Steatitové výrobky společnosti Steatit s.r.o. - Pojistková pouzdra [online]. 778x557. © 2016 STEATIT s.r.o.[vid. 14. 5. 2016]. Dostupné z: http://www.steatit.cz/produkty-steatitove_vyrobky"

Obr. 6.17 archiv autorky

Obr. 6.18 archiv autorky

Obr. 6.19 archiv autorky

Obr. 6.20 archiv autorky

Obr. 6.21 archiv autorky

Obr. 6.22 Polykondenzace fenolu a formaldehydu [obrázek]. In: Bakelit - syntéza [online]. Wikipedia 2016 [vid. 14. 6. 2016]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Bakelit

Obr. 6.23 archiv autorky

Obr. 6.24 archiv autorky

Obr. 6.25 archiv autorky

Obr. 6.26 archiv autorky

Obr. 6.27a "AXEL.BOLDT. Kaučuková plantáž [fotografie]. In: Kaučukovník brazilský [online]. 2015 Wikipedia [vid. 15. 5. 2016]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Kau%C4%8Dukovn%C3%ADk_brazilsk%C3%BD. Formát 455x507."

Obr. 6.27b AXEL.BOLDT. Latex odkapávající z kaučukovníku [fotografie]. In: Kaučukovník brazilský [online]. 2015 Wikipedia [vid. 15. 5. 2016]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Kau%C4%8Dukovn%C3%ADk_brazilsk%C3%BD. Formát 884x607.

Obr. 6.28 MUŽÍK P. Požár olejového transformátoru [fotografie]. In: Transfor: Kam se hodí ten který transformátor. Elektrika.cz [online]. [vid. 15. 5. 2016]. Dostupné z: http://elektrika.cz/data/clanky/3-5-trasfor-nevime-o-nem-aneb-z-pohledu-provozu-a-udrzby-idealni-transformator-3-5. Formát 358x259.

Obr. 6.29 archiv autorky

Obr. 6.30 Příklady základních typů kondenzátorů [obrázek]. In: DRÁPALA. J., KURSA M. Elektrotechnické materiály, str. 370 [online]. VŠB Ostrava 2012 [vid. 14. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/ETMAT/Elektrotechnicke%20materialy.pdf

Obr. 6.31 Kondenzátor elektrolytický Gold Cap, 3,3 F, 2,5 V, 30 %, 23 x 12,5 mm [fotografie]. In: Conrad.cz - Součástky - Pasivní součástky - Kondenzátory - SuperCaps, záložní kondenzátory [online]. 2015 © Conrad Electronic Česká republika, s.r.o. [vid. 17. 6. 2016]. Dostupné z: http://www.conrad.cz/kondenzator-elektrolyticky-gold-cap-3-3-f-2-5-v-30-23-x-12-5-mm.k473154

Video 6.1 Loxcom. Jak se co dělá PET Lahve [video]. Jak se co dělá.[online]. Youtube.cz 2012 [vid 15. 5. 2016]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=6IYKoHab334

Video 6.2 Plasty [video]. Samosebou, třídím odpad [online]. Samosebou.cz Youtube 2013 [vid 8. 5. 2016]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=BXCij-3IA_E