Tööstuslikud infovõrgud ja IT turvalisus

DIELEKTRIKUD (ISOLAATORID)

1. Sissejuhatus dielektrikutesse

1.1 Mis on dielektrikud ehk isolaatorid?

Dielektrikud ehk isolaatorid on materjalid, mille elektriline juhtivus on äärmiselt madal, mistõttu nad ei juhi elektrivoolu praktiliselt üldse. Dielektrikud suudavad taluda tugevaid elektrivälju, pakkudes elektrilist isolatsiooni ja võimaldades energiat salvestada elektrivälja kujul.

Dielektrikud jagunevad tavaliselt kolme põhigruppi:

• Tahked dielektrikud (näiteks plastid, keraamika, klaas, kumm)
• Vedelad dielektrikud (näiteks isoleerivad õlid)
• Gaasilised dielektrikud (näiteks õhk, SF₆)

Viited ja lisalugemine:

• Kasap, S. O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
• Callister, W. D. & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.

1.2 Dielektrikute omadused ja erinevus juhtidest ning pooljuhtidest

Peamine omadus, mis eristab dielektrikuid juhtidest ja pooljuhtidest, on nende äärmiselt väike elektrijuhtivus. Elektrijuhtivuse erinevust iseloomustab materjali eritakistus (ρ):

Dielektrikud erinevad juhtidest ja pooljuhtidest järgmiselt:

• Juhtides on elektrone vabalt saadaval, mistõttu vool liigub väga kergesti.
• Pooljuhtides saab elektrone vabastada väikese lisaenergia abil (soojus, valgus).
• Dielektrikutes on elektronid tugevalt seotud aatomite või molekulidega ning nende vabastamiseks oleks vaja väga suurt energiaimpulssi (läbilöögihetk), mida normaalses töörežiimis ei teki.

Dielektrikud ei ole elektrivoolu juhid, vaid nad mõjutavad elektrivälja, mis neile rakendub. See omadus võimaldab kasutada dielektrikuid kondensaatorite valmistamisel, kuna nad suurendavad kondensaatori mahtuvust, salvestades elektrivälja energiat.

Viited ja lisalugemine:

• Serway, R. A. & Jewett, J. W. (2018). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 10th ed., Cengage Learning.
• Tipler, P. A. & Mosca, G. (2007). Physics for Scientists and Engineers, 6th ed., W. H. Freeman and Company.

1.3 Peamised mõisted ja terminid dielektrikute juures

Dielektrikute uurimisel tuleb teada järgmisi olulisi mõisteid:

• Elektriline läbitavus (ε) – näitab, kuidas materjal reageerib elektriväljale. Vabas ruumis ehk vaakumis on see ε₀ ≈ 8,854×10⁻¹² F/m.
• Suhteline dielektriline läbitavus (εᵣ) – näitab, mitu korda on materjali dielektriline läbitavus suurem vaakumi omast.
• Elektriline tugevus – suurim elektriväli, mida materjal talub enne elektrilist läbilööki. Mõõdetakse tavaliselt kV/mm.
• Elektriline polarisatsioon – nähtus, mille käigus dielektriku molekulid või aatomid paigutuvad elektrivälja mõjul korrapäraselt, tekitades sisemise elektrivälja.
• Dielektrilised kaod – energia, mis hajub materjalis elektrivälja mõjul soojuseks.

1.4 Dielektrikute tähtsus tehnoloogias ja tööstuses

Dielektrikute kasutusala tehnoloogias on lai ja hõlmab mitmeid olulisi rakendusi:

• Elektriline isolatsioon: elektrikaablite isolatsioon, elektriseadmete isolatsioonidetailid.
• Energia salvestamine: kondensaatorid elektriahelates, salvestavad ja vabastavad energiat.
• Kõrgepinge tehnika: isoleerivad seadmed ja komponendid kõrgepingeliinides.
• Elektroonikakomponendid: trükkplaatide isolatsioonimaterjalid, transistoride ja dioodide isolatsioonid.

1.5 Levinumad dielektrilised materjalid ja nende kasutusnäited

1.6 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S. O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education. Principles of Electronic Materials and Devices
• Callister, W. D. & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.Materials Science and Engineering

1.7 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Dielektrikud ehk isolaatorid on materjalid, mille elektriline juhtivus on äärmiselt madal.
• Dielektrikud ei juhi elektrit, kuid mõjutavad elektrivälja ja võivad salvestada elektrienergiat.
• Peamised omadused on madal elektrijuhtivus, kõrge elektriline tugevus ja hea elektriline isolatsioon.
• Kasutusvaldkonnad hõlmavad energiasalvestust, isolatsiooni ja kõrgepingeseadmeid.

2. Dielektrikute elektrilised omadused

Dielektrikute elektrilised omadused määravad nende kasutusvõimalused elektrotehnikas ja elektroonikas. Põhiomadused, mida siin käsitleme, on:

• Elektriline läbitavus ja suhteline dielektriline läbitavus (εᵣ)
• Elektriline tugevus (läbilöögitugevus)
• Elektriline polarisatsioon ja selle tüübid

2.1 Elektriline läbitavus ja suhteline dielektriline läbitavus (εᵣ)

Elektriline läbitavus kirjeldab materjali omadust salvestada elektrivälja energiat. Vaakumi elektriline läbitavus on:ε0=8,854×10−12 F/mε0​=8,854×10−12F/m

Dielektriku elektriline läbitavus on alati suurem kui vaakumil ning selle väljendamiseks kasutatakse suhtelist dielektrilist läbitavust (εᵣ), mis näitab, mitu korda suureneb kondensaatori mahtuvus, kui vaakum asendatakse antud materjaliga.

Seos elektrilise läbitavuse (ε) ja suhtelise dielektrilise läbitavuse (εᵣ) vahel on:ε=ε0⋅εrε=ε0​⋅εr​

Näide:

• Kondensaatori mahtuvus CC sõltub dielektrikust järgnevalt:

C=ε0εrAdC=ε0​εr​dA​

kus

• CC – kondensaatori mahtuvus (F),
• AA – plaatide pindala (m²),
• dd – plaatide vahekaugus (m).

Näiteks õhu puhul on εᵣ ≈ 1,0006, kuid keraamika BaTiO₃ puhul kuni 1000.

Lisalugemine:

• Serway & Jewett (2018). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 10th ed.

2.2 Elektriline tugevus (läbilöögitugevus)

Elektriline tugevus ehk läbilöögitugevus näitab, milline on suurim elektrivälja tugevus, mida materjal suudab taluda enne elektrilist läbilööki. Ületades selle piiri, muutub dielektrik elektrijuhiks ja materjal võib saada kahjustada.

Elektriline tugevus EmaxEmax​ mõõdetakse tavaliselt kV/mm ühikutes.

Elektrilise tugevuse valem:E=UdE=dU​

kus

• EE – elektrivälja tugevus (V/m),
• UU – rakendatud pinge (V),
• dd – elektroodide vahekaugus (m).

Näiteks, kui polüetüleeni elektriline tugevus on 20 kV/mm, siis tähendab see, et 1 mm paksuse polüetüleeni isolatsioonikiht talub kuni 20 kV pinget ilma läbilöögita.

Lisalugemine:

• Kasap (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed.

2.3 Elektriline polarisatsioon

Kui dielektrik asetatakse elektrivälja, tekib materjalis elektriline polarisatsioon – aatomid või molekulid orienteeruvad elektrivälja mõjul, põhjustades positiivsete ja negatiivsete laengute osalist eraldumist.

Elektrilise polarisatsiooni tulemuseks on:

• Elektrivälja tugevuse vähenemine materjalis
• Suurenenud energia salvestamine materjali sees

Elektrilist polarisatsiooni kirjeldab polarisatsioonivektor PP:P=ε0(εr−1)EP=ε0​(εr​−1)E

kus

• PP – polarisatsioonivektor (C/m²),
• EE – rakendatud elektriväli (V/m).

2.4 Polarisatsiooni tüübid

Elektriline polarisatsioon jaguneb mehhanismide järgi neljaks:

2.4.1 Elektronne polarisatsioon

Elektronide nihkumine elektrivälja mõjul aatomi tuuma suhtes. Esineb kõigis materjalides. Väga kiire ja esineb ka kõrgetel sagedustel (näiteks valguses).

2.4.2 Ioonne polarisatsioon

Ioonide nihkumine elektriväljas (nt kristallides, keraamikas). Toimub aeglasemalt kui elektronne polarisatsioon.

2.4.3 Dipoolne (orientatsiooniline) polarisatsioon

Püsivate dipoolidega molekulide pöördumine elektrivälja suunas. Näiteks vees ja teistes polaarsetes vedelikes. Aeglane protsess, sõltub temperatuurist.

2.4.4 Ruumi- või migratsioonipolarisatsioon (interfaasiline polarisatsioon)

Laengukandjate (ioonide või elektronide) piiratud liikumine materjali heterogeensetel piirpindadel. Esineb madalatel sagedustel ja põhjustab suuremaid energiakadusid.

Lisalugemine:

• Callister & Rethwisch (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed.

2.5 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Dielektriku elektrilised omadused määravad, kuidas materjal käitub elektriväljas.
• Suhteline dielektriline läbitavus kirjeldab materjali võimet elektrienergiat salvestada.
• Elektriline tugevus määrab maksimaalse lubatud elektrivälja enne materjali läbilööki.
• Elektriline polarisatsioon on materjali reaktsioon välisele elektriväljale ning on oluline energia salvestamisel ja kondensaatorite töös.

3. Dielektrilised kaod ja isolatsioonitakistus

Dielektrikud on küll elektrilised isolaatorid, kuid nad ei ole täiuslikud ja teatud tingimustes tekivad neis energiakaod, mida nimetatakse dielektrilisteks kadudeks. Lisaks omab iga dielektrik teatud elektrilist isolatsioonitakistust, mis määrab ära materjali vastupidavuse elektrijuhtivusele.

3.1 Mis on dielektrilised kaod?

Dielektrilised kaod on energia, mis elektrivälja mõjul muundub dielektrikus soojuseks. Need kaod on tingitud materjalis esinevast ebatäiuslikust polarisatsioonist ja piiratud juhtivusest.

Kaotegurit väljendatakse tihti dielektrilise kadude tangensina (tan δ):tan⁡δ=PkaodPreaktiivtanδ=Preaktiiv​Pkaod​​

kus

• PkaodPkaod​ – dielektrikus hajuv võimsus (aktiivvõimsus, W)
• PreaktiivPreaktiiv​ – elektriväljas salvestatud reaktiivvõimsus (VAR)

Mida väiksem on tan δ väärtus, seda kvaliteetsem on dielektrik ja seda vähem on energiakadusid.

Näide:

• Polüetüleen: tan δ ≈ 0,0002
• Keraamika (BaTiO₃): tan δ ≈ 0,02–0,1 (sõltub sagedusest)

Lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed.

3.2 Dielektriliste kadude põhjused

Peamised põhjused, miks dielektrilistes materjalides tekivad kaod, on:

• Polarisatsioonikaod: tingitud dipoolide orienteerumisest vahelduvväljas. Polarisatsiooni pidev muutumine põhjustab molekulide sisehõõrdumist ja seega energiakadu.
• Juhtivuskaod (lekkekaod): dielektrikutes esinevad alati minimaalsed elektrijuhtivused, mis põhjustavad väikest lekkevoolu ja energiakadu.
• Interfaasilised kaod (ruumipolarisatsioon): esineb heterogeensetes materjalides (nt komposiitmaterjalid), kus laeng koguneb materjalide piirpindadele.

3.3 Isolatsioonitakistus

Isolatsioonitakistus iseloomustab dielektriku elektrilist isolatsioonivõimet ja näitab, kui suur on materjali takistus alalisvoolu suhtes.

Isolatsioonitakistust mõõdetakse tavaliselt megaoomides (MΩ) või gigaoomides (GΩ) ning sõltub järgmistest teguritest:

• Materjali omadused
• Materjali paksus
• Temperatuur
• Niiskusesisaldus

Isolatsioonitakistuse arvutamise valem:Risolatsioon=ρdARisolatsioon​=ρAd​

kus

• RisolatsioonRisolatsioon​ – isolatsioonitakistus (Ω)
• ρρ – materjali eritakistus (Ω·m)
• dd – materjali paksus (m)
• AA – elektroodide pindala (m²)

Näiteks polüetüleeni tüüpiline eritakistus on umbes 1016Ω⋅m1016Ω⋅m, mis annab väga suure isolatsioonitakistuse isegi õhukese kihiga.

3.4 Isolatsioonitakistuse mõõtmine

Isolatsioonitakistust mõõdetakse spetsiaalsete seadmetega, näiteks meggeritega (isolatsioonitakistuse mõõtjad).

Tüüpilised mõõtmispinged on:

• Madalpinge seadmetes: 250–500 V
• Kõrgepinge seadmetes: 1000–5000 V

Mõõtmistulemuste hindamisel:

• Kõrge isolatsioonitakistus näitab head isolatsiooni.
• Madal isolatsioonitakistus viitab lekkevoolule ja isolatsiooni kvaliteedi langusele (niiskus, saastumine või vananemine).

3.5 Näited dielektrikute kadude ja isolatsioonitakistuse tüüpilistest väärtustest

3.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Dielektrilised kaod on energia, mis muundub elektrivälja mõjul soojuseks.
• Dielektriliste kadude suurust iseloomustab kaotegur tan δ, väiksem väärtus tähendab vähem kadusid.
• Isolatsioonitakistus on oluline parameeter, mis näitab materjali elektrilise isolatsiooni võimet ja kvaliteeti.
• Dielektrikute omadused võivad muutuda keskkonnatingimuste mõjul, nagu temperatuur ja niiskus.

3.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education. Principles of Electronic Materials and Devices
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.Materials Science and Engineering
• Serway, R.A. & Jewett, J.W. (2018). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, 10th ed., Cengage Learning.

4. Dielektrikute liigid ja materjalid

Dielektrikuid liigitatakse tavaliselt nende oleku ja materjali koostise järgi. Põhiline liigitus on:

• Tahked dielektrikud
• Vedelad dielektrikud
• Gaasilised dielektrikud

Igal liigil on erinevad omadused ja kasutusalad.

4.1 Tahked dielektrikud

Tahked dielektrikud on enimkasutatavad materjalid elektrilises isolatsioonis ja energiasalvestuses.

4.1.1 Plastid (polümeerid)

Plastid on populaarsed oma kõrge elektrilise tugevuse, hea isolatsioonitakistuse ja lihtsa töötluse tõttu.

4.1.2 Keraamika ja klaas

Keraamilised materjalid ja klaasid on väga heade elektriliste omadustega ja taluvad kõrgeid temperatuure.

4.1.3 Komposiitmaterjalid

Komposiitmaterjalid koosnevad mitmest materjalist, et saavutada paremaid omadusi.

• Näiteks klaaskiud-epoksüvaik (FR-4) on peamine trükkplaatide alusmaterjal (εᵣ ≈ 4,5–5,0).

Lisalugemine:

• Callister & Rethwisch (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed.

4.2 Vedelad dielektrikud

Vedelad dielektrikud on olulised eriti kõrgepingetehnikas, kus neid kasutatakse isolatsiooni parandamiseks ja jahutamiseks.

Vedelaid dielektrikuid kasutatakse seetõttu, et nad võivad täita keerulisi geomeetrilisi ruume ja eemaldada soojusenergiat tõhusalt.

Lisalugemine:

• Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed.

4.3 Gaasilised dielektrikud

Gaasilised dielektrikud on olulised kõrgepingetehnoloogias ja vaakumseadmetes. Gaaside eeliseks on kiire taastumine pärast läbilööki ja hea läbilöögipinge.

SF₆ on laialdaselt kasutusel kõrgepingetehnikas, sest selle elektriline tugevus on väga kõrge. Samas on SF₆ tugev kasvuhoonegaas ja seetõttu otsitakse sellele alternatiive.

Lisalugemine:

• Kuffel & Zaengl (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals, 2nd ed.

4.4 Dielektriliste materjalide valiku kriteeriumid

Sobiva dielektrilise materjali valikul tuleb arvestada järgmisi tegureid:

• Elektriline tugevus ja isolatsioonitakistus
• Suhteline dielektriline läbitavus (εᵣ)
• Sagedustaluvus ja kaotegur (tan δ)
• Temperatuuritaluvus ja töötemperatuuri vahemik
• Vananemiskindlus ja keemiline vastupidavus
• Keskkonnamõju ja ohutus

4.5 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Tahked dielektrikud (plastid, keraamika, komposiidid) on enimkasutatavad tänu kõrgele elektrilisele tugevusele ja töökindlusele.
• Vedelad dielektrikud on olulised kõrgepinge seadmetes tänu heale jahutusele ja ruumi täitmise võimele.
• Gaasilisi dielektrikuid kasutatakse kõrgepingetehnikas, kus vaja on kiiret isolatsiooni taastumist pärast läbilööki.
• Materjalide valikul tuleb arvestada elektriliste omaduste kõrval ka töökeskkonna tingimustega.

4.6 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.Materials Science and Engineering
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education. Principles of Electronic Materials and Devices
• Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.

5. Dielektrikute rakendused elektrotehnikas ja elektroonikas

Dielektrikuid kasutatakse praktiliselt igas elektrotehnika ja elektroonika valdkonnas. Järgnevalt käsitleme peamisi rakendusi koos näidetega, kus just dielektrikute omadused määravad seadmete kvaliteedi ja töökindluse.

5.1 Kondensaatorid ja dielektrilised materjalid

Üks olulisemaid dielektrikute rakendusi on kondensaatorites, mille eesmärk on elektrivälja energia salvestamine ja vabastamine.

Levinumad dielektrikud kondensaatorites:

Kondensaatori mahtuvus sõltub otseselt kasutatavast dielektrilisest materjalist:C=ε0εrAdC=ε0​εr​dA​

Lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed.

5.2 Elektrikaablite ja juhtmete isolatsioon

Dielektrikuid kasutatakse laialdaselt kaablite ja juhtmete isolatsioonina, et vältida elektrivoolu lekkeid ja lühiseid.

Levinud isolatsioonimaterjalid:

• Polüetüleen (PE): madalpinge- ja kõrgepingekaablid.
• PVC (polüvinüülkloriid): kodumasinate juhtmed ja installatsioonikaablid.
• XLPE (ristseotud PE): kõrgepingekaablid, kõrge temperatuuriga rakendused.

Näide:

XLPE-isolatsiooniga kõrgepinge kaabel talub kuni 220–400 kV pinget ning pakub head vananemis- ja termilist stabiilsust.

Lisalugemine:

• Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed.

5.3 Elektrimasinate ja -seadmete isolatsioon

Elektrimootorites ja trafodes kasutatakse dielektrikuid, et eraldada erinevaid pinge- ja mähkimiskihte ning tagada seadmete töökindlus ja ohutus.

Levinud materjalid:

• Mineraalõli ja sünteetilised õlid trafodes ja kõrgepinge lülitites (isolatsioon ja jahutus).
• Nomex (aramiidpaber) elektrimootorite ja trafode mähiste isolatsiooniks.
• Epoksüvaigud ja komposiidid trafode mähiste ja elektroonikaseadmete isolatsiooniks.

Näide:

Kõrgepingetrafod (110 kV ja rohkem) on tavaliselt täidetud mineraal- või sünteetilise õliga, mis tagab nii isolatsiooni kui ka tõhusa jahutuse.

5.4 Kõrgepingeseadmete isolatsioon ja kaitse

Kõrgepingeseadmed vajavad eriti kvaliteetseid dielektrilisi materjale, et vältida elektrilist läbilööki.

Näited:

• Portselan ja keraamika: kõrgepingeliinide isolaatorid (10–400 kV).
• SF₆-gaas: kõrgepingelülitid, alajaamade seadmed.
• Epoksükomposiidid: kõrgepingelülitid ja mõõteseadmete isolatsioon.

Näide:

SF₆-gaasisolatsiooniga kõrgepingelüliti suudab kiirelt katkestada elektrivoolu ja taastada isolatsiooni pärast lülitamist.

Lisalugemine:

• Kuffel & Zaengl (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals, 2nd ed.

5.5 Elektroonikaseadmete trükkplaadid ja konstruktsioonid

Dielektrilisi materjale kasutatakse elektroonikaseadmete trükkplaatides, et eraldada elektrilised ühendused ja tagada signaalide kvaliteet.

Levinud trükkplaadimaterjalid:

• FR-4 (klaaskiud epoksüvaigus) – kõige populaarsem trükkplaatide alusmaterjal.
• Keraamika (Al₂O₃, AlN) – kõrgtemperatuurilised ja kõrgsageduslikud elektroonikaseadmed.

5.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Dielektrikud on vajalikud kondensaatorites energia salvestamiseks ja elektriahelate töökindluseks.
• Kaablite ja elektrimasinate isolatsioon sõltub otseselt kasutatava dielektriku kvaliteedist.
• Kõrgepingetehnoloogias valitakse dielektrikud nii elektrilise tugevuse kui ka töökindluse järgi.
• Elektroonikaseadmete konstruktsioonide ja trükkplaatide töökindlus sõltub dielektriliste materjalide omadustest.

5.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill.
• Kuffel, E., Zaengl, W.S. & Kuffel, J. (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals, 2nd ed., Elsevier.

5. Dielektrikute rakendused elektrotehnikas ja elektroonikas

Dielektrilised materjalid on elektrotehnikas ja elektroonikas võtmetähtsusega, kuna nad täidavad järgmisi ülesandeid:

• Elektriline isolatsioon
• Energia salvestamine (kondensaatorid)
• Elektriväljade kontroll ja stabiliseerimine
• Elektriseadmete kaitsmine ja isolatsioon kõrgepingetehnikas
• Spetsiaalsed andurid (nt pieso- ja püroelektrilised andurid)

Järgnevalt vaatame põhjalikult dielektrikute tähtsamaid kasutusalasid.

5.1 Kondensaatorid ja nende dielektrilised materjalid

Kondensaatorite omadused sõltuvad otseselt kasutatavast dielektrilisest materjalist.

Parim kondensaator-dielektrik on hea isolatsiooniga, väikeste kadudega (väike tan δ), kõrge εᵣ-ga ja pika elueaga.

5.2 Elektrikaablite ja seadmete isolatsioon

Elektriisolatsiooni peamine ülesanne on tagada ohutus ja töökindlus:

• Elektrikaablid: polüetüleen (PE), PVC, silikoonkumm, teflon (PTFE).
• Kõrgepingeisolatsioon: portselan, klaas, mineraalõli, SF₆-gaas.
• Trükkplaadid (PCB): FR-4 klaaskiud-epoksükomposiit (εᵣ ≈ 4,5–5,0).

Näiteks kõrgepingeliinides kasutatakse klaasist või portselanist isolaatoreid nende vastupidavuse ja hea elektrilise tugevuse tõttu.

5.3 Elektrimasinate ja seadmete isolatsioon

Elektrimootorite, generaatorite ja trafode isolatsioon on kriitiline nende pikaajaliseks tööks:

• Trafod ja induktiivpoolid: mineraalõlid, sünteetilised estrid.
• Elektrimootorid: immutatud isolatsioonipaberid ja vaik.
• Generaatorid: epoksüvaik, klaaskiudmaterjalid, mineraalõli.

Hea isolatsioon hoiab ära elektrilised läbilöögid, võimaldab head soojusjuhtivust ning pikendab masina kasutusiga.

5.4 Kõrgepingeseadmed ja elektriline kaitse

Kõrgepinge seadmete isolatsioon peab taluma väga suuri elektrivälju:

• Kõrgepingelülitid: SF₆-gaas, vaakum, keraamilised materjalid.
• Kõrgepinge kondensaatorid: spetsiaalsed mineraal- ja sünteetilised õlid.
• Kõrgepinge kaablid: ristseotud polüetüleen (XLPE).

Näiteks SF₆ gaas on kõrge elektrilise tugevusega, mistõttu kasutatakse seda laialdaselt kõrgepingelülitites. Samas otsitakse alternatiive keskkonnakahjuliku toime tõttu.

5.5 Elektroonikaseadmete konstruktsioonid ja materjalid

Elektroonikaseadmete töökindlus sõltub oluliselt dielektrikute õigest valikust:

• PCB materjalid: FR-4 klaaskiud-epoksükomposiit.
• Kiipide kapseldusmaterjalid: epoksüvaigud ja silikoonid.
• Kõrgsagedusseadmed: keraamilised substraadid, PTFE (teflon).

Õigesti valitud dielektrikud kaitsevad seadmeid mehaaniliste ja keskkonnamõjude eest ning tagavad stabiilse elektroonilise töö.

5.6 Elektroonilised sensorid ja andurid

Erilised dielektrilised omadused võimaldavad valmistada täpseid ja usaldusväärseid sensoreid:

• Piesoelektrilised andurid (nt BaTiO₃, kvartskristall): jõu-, rõhu-, kiirenduse mõõtmine.
• Püroelektrilised andurid (nt LiTaO₃): temperatuurimõõtmine infrapunaandurites.

Need andurid leiavad kasutamist tööstuses, autotööstuses, tervisetehnoloogias ja paljudes teistes rakendustes.

5.7 Materjalivaliku näited rakenduste järgi

Dielektrikute valikul lähtutakse konkreetsetest nõuetest ja tingimustest:

5.8 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Kondensaatorite jõudlus sõltub kasutatud dielektrikust.
• Elektriisolatsioon on dielektrikute üks põhilisi ülesandeid kaablites, seadmetes ja kõrgepinge tehnikas.
• Elektrimasinate töökindlus sõltub otseselt kasutatud isolatsioonimaterjalidest.
• Kõrgepinge tehnikas on isolatsiooni kvaliteet otseselt seotud seadmete ohutuse ja efektiivsusega.
• Sensoritehnoloogias kasutatakse dielektrikuid nende eriliste elektriliste omaduste tõttu.

5.9 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Rashid, M.H. (2013). Power Electronics Handbook, 4th ed., Butterworth-Heinemann.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.

6. Dielektrikute käitumine elektriväljas

Dielektrikute käitumine elektriväljas määrab ära nende praktilised piirid ja kasutusvõimalused. Elektrivälja rakendamisel toimuvad dielektrikus erinevad nähtused, nagu elektriline polarisatsioon ja elektriline läbilöök.

6.1 Dielektriku käitumine alalis- ja vahelduvvoolu elektriväljas

Alalisvoolu (DC) elektriväli:

• Rakendades dielektrikule alalispinge, tekib materjalis püsiv polarisatsioon.
• Aatomid ja molekulid pöörduvad või nihkuvad püsivalt elektrivälja mõjul.
• Pikaajalisel alalispinge rakendamisel võib toimuda aeglane laengukandjate migratsioon ja laengu kogunemine dielektriku pinnale, eriti kõrgpingeseadmetes.

Vahelduvvoolu (AC) elektriväli:

• Vahelduvväljas toimub dielektrikus pidev polarisatsiooni muutus, kuna elektriväli muudab suunda.
• Kõrgematel sagedustel ei jõua aeglasemad polarisatsioonimehhanismid (näiteks orientatsiooniline ja ruumipolarisatsioon) täielikult kaasa minna, mis suurendab dielektrilisi kadusid (tan δ).
• Kõrgsagedusahelates tuleb kasutada väiksemate kadudega (väike tan δ) dielektrikuid, näiteks polüpropüleen, PTFE (teflon) või spetsiaalne keraamika.

6.2 Dielektriku elektriline läbilöök

Elektriline läbilöök on nähtus, kus elektriväli ületab dielektriku elektrilise tugevuse ja materjal kaotab ajutiselt oma isoleerivad omadused, muutudes elektrijuhiks.

Elektrilise läbilöögi põhjused:

• Elektrivälja tugevuse ületamine: materjal ei talu enam rakendatud pinget.
• Dielektriku sees olevad defektid (õhumullid, praod): elektriväli koondub väiksele alale, põhjustades läbilöögi.
• Keskkonnatingimused (niiskus, temperatuur, reostus): vähendavad elektrilist tugevust.

6.3 Läbilöögi tüübid ja mehhanismid

Dielektriku elektriline läbilöök võib toimuda erinevatel viisidel:

1. Elektronne läbilöök (tunneliefekt, ionisatsioon)

• Väga tugev elektriväli eraldab elektronid aatomitest või molekulidest, põhjustades kiire voolu suurenemise.
• Esineb tahketes dielektrikutes (nt keraamika, klaas).

2. Termiline läbilöök

• Elektrivälja toimel tekkiv soojusenergia tõstab dielektriku temperatuuri kuni selle elektriline takistus järsult väheneb.
• Levinud polümeerides ja komposiitides (nt polüetüleen, PVC).

3. Osaline läbilöök (koroonalahendus)

• Tekib tavaliselt gaasilistes või vedelates dielektrikutes (õhk, õli), kus elektrivälja tugevus ületab ionisatsioonipiiri.
• Tekivad lokaalsed lahendused (sädelused), mis võivad materjali pikapeale kahjustada.

6.4 Läbilöögi vältimise meetodid ja kaitsemeetmed

Elektrilist läbilööki saab vältida, valides sobivad materjalid ja rakendades õigeid disainimeetmeid:

• Materjalivalik: kõrgema elektrilise tugevusega materjalid (portselan, mineraalõli, SF₆ gaas).
• Disainimeetmed:
  • piisav isolatsioonimaterjali paksus,
  • elektrivälja ühtlane jaotus (ümardatud elektroodid, sobivad geomeetriaga isolatsioonimaterjalid),
  • vältida materjalide defekte (nt mullide või pragude vältimine isolatsioonis).
• Keskkonnakontroll: hoida niiskus madal, vältida reostust.

6.5 Näited elektrilisest tugevusest eri materjalides

6.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Dielektriku käitumine sõltub elektrivälja liigist (alalis- või vahelduvväli).
• Elektrilise läbilöögi korral muutub dielektrik elektrit juhtivaks ja võib saada kahjustada.
• Läbilöögi vältimiseks on oluline materjali valik ja hoolikas disain.
• Dielektrilise materjali valimisel tuleb arvestada töötingimustega (elektrivälja tugevus, temperatuur, keskkonnamõjud).

6.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.
• Kuffel, E., Zaengl, W.S. & Kuffel, J. (2000). High Voltage Engineering: Fundamentals, 2nd ed., Elsevier.

7. Erilised dielektrilised efektid ja nähtused

Lisaks tavapärasele isolatsiooni- ja energiasalvestusfunktsioonile on teatud dielektrilistel materjalidel erilised omadused, nagu pieso-, ferro- ja püroelektrilised efektid. Need nähtused võimaldavad luua spetsiaalseid elektroonikakomponente ja sensoreid.

7.1 Piesoelektriline efekt ja materjalid

Piesoelektriline efekt tähendab materjali võimet tekitada elektrilaengut mehaanilise surve või deformatsiooni mõjul ja vastupidi – deformeeruda elektrivälja mõjul.

Efekti põhiolemus:

• Surve rakendamisel piesoelektrilisele materjalile nihkuvad laengud kristalli sees, tekitades elektripinge.
• Vastupidi, elektrivälja rakendamisel materjalile toimub deformatsioon (materjal paisub või tõmbub kokku).

Levinud piesoelektrilised materjalid:

• Kvarts (SiO₂): täppisandurid, sagedusstabilisaatorid.
• BaTiO₃ (bariumtitanaat): piesoandurid, aktuaatorid.
• PZT (plii-tsirkooniumtitanaat): ultraheliandurid, täpsusandurid.

Peamised rakendused:

• Ultraheliandurid (meditsiinis, tööstuses)
• Rõhu- ja jõuandurid
• Süütajad (nt gaasipliitides, tulemasinates)
• Aktuaatorid (täppisliigutused elektroonikas)

7.2 Ferroelektriline efekt ja materjalid

Ferroelektrilisus on nähtus, mille korral materjalil tekib spontaanne elektriline polarisatsioon, mida saab muuta välise elektriväljaga. Ferroelektrilised materjalid omavad elektrilist hüstereesi, mis sarnaneb ferromagnetiliste materjalide magnetilisele hüstereesile.

Efekti põhiolemus:

• Ferroelektrilised materjalid sisaldavad kristallstruktuuris püsivaid elektrilisi dipoolmomente.
• Välise elektrivälja mõjul saab dipoolide suunda muuta, muutes seeläbi materjali elektrilist polarisatsiooni.
• Eemaldades elektrivälja, jääb materjal osaliselt polariseerituks (hüsterees).

Levinud ferroelektrilised materjalid:

• BaTiO₃ (bariumtitanaat)
• PZT (plii-tsirkooniumtitanaat)
• LiNbO₃ (liitiumniobaat)

Peamised rakendused:

• Mälukomponendid (ferroelektriline RAM ehk FeRAM)
• Varaktorid ja häälestatavad kondensaatorid
• Elektroonilised filtrid ja sagedusstabilisaatorid

7.3 Püroelektriline efekt ja materjalid

Püroelektriline efekt tähendab materjali võimet tekitada elektrilaengut temperatuuri muutumise mõjul. Püroelektrilised materjalid on alati ka ferroelektrilised, kuid vastupidine ei pruugi kehtida.

Efekti põhiolemus:

• Temperatuuri muutudes muutub kristalli polarisatsiooniaste, mille tulemusel tekib materjali pinnale elektrilaeng.
• Efekt toimib ka väga väikeste temperatuurimuutuste korral, võimaldades kasutada materjali täppisandurina.

Levinud püroelektrilised materjalid:

• LiTaO₃ (liitiumtantaalaat)
• PZT (plii-tsirkooniumtitanaat)
• PVDF (polüvinülideenfluoriid) – püroelektriline polümeer

Peamised rakendused:

• Infrapunaandurid ja liikumisdetektorid (turvasüsteemid, automaatika)
• Temperatuuriandurid ja termilised kuvandid
• Gaasiandurid (gaasi kontsentratsiooni mõõtmine temperatuuri järgi)

7.4 Eriliste dielektriliste materjalide omaduste võrdlus

7.5 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Piesoelektriline efekt võimaldab muuta mehaanilise energia elektrienergiaks ja vastupidi, leides kasutust täppisandurites ja aktuaatorites.
• Ferroelektriline efekt võimaldab materjalidel omada püsivat ja muudetavat elektrilist polarisatsiooni, mis sobib elektroonilistes mäludes ja reguleeritavates komponentides.
• Püroelektriline efekt võimaldab materjalidel genereerida elektrilaengut väikeste temperatuurimuutuste mõjul, olles aluseks infrapunaanduritele ja temperatuurisensoritele.

7.6 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.
• Uchino, K. (2010). Ferroelectric Devices, 2nd ed., CRC Press.