Past Paper ME 2019-2020 4 (PDF)

NOŢIUNI ELEMENTARE DE STRUCTURĂ A CORPURILOR Forţe de legătură chimică Corpurile sunt constituite din particule elementare care pot fi : atomi, ioni sau molecule. Când aceste particule structurale sunt apropiate la distanţe suficient de mici între ele apar forţe de interacţiune,...

NOŢIUNI ELEMENTARE DE STRUCTURĂ A CORPURILOR Forţe de legătură chimică Corpurile sunt constituite din particule elementare care pot fi : atomi, ioni sau molecule. Când aceste particule structurale sunt apropiate la distanţe suficient de mici între ele apar forţe de interacţiune, denumite şi forţe de legătură chimică. În funcţie de valoarea energiei de coeziune şi de natura particulelor, acestea se împart în două clase fundamentale de forţe sau legături: - primare sau interatomice, care sunt puternice şi se realizează între atomi sau ioni (atomi care au cedat sau primit electroni) şi din această clasă fac parte: legătura ionică, legătura covalentă şi legătura metalică; - secundare sau intermoleculare, care sunt slabe şi se exercită între molecule şi din această clasă fac parte: legătura van der Waals şi cea de hidrogen. A. Legătura ionică este cea care se stabileşte între ioni având sarcini de semn contrar. Se cunoaşte că elementele chimice zerovalente (gazele inerte: He, Ne, Ar, Kr, Xe), care sunt cele mai stabile elemente, se caracterizează prin prezenţa a opt electroni în ultimul strat electronic, cu excepţia heliului care are numai doi electroni. Această constatare Fig. 1.1. Formarea legăturii ionice este în acord cu regula octetului care în cristalul de NaCl spune că: în combinaţiile chimice care au la bază legături ionice, intervin astfel de atomi încât, unul cedează iar altul primeşte electroni, astfel ca ionii care rezultă să aibă fiecare câte opt electroni pe ultimul strat. De exemplu, formarea legăturii ionice în cristalul de NaCl este ilustrată în figura 1.1. Atomul de sodiu, cu numărul de ordine 11, are un electron pe ultimul strat electronic pe care îl cedează atomului de clor (cu numărul de ordine 17) care are 7 electroni în ultimul strat, ionii astfel formaţi (Na+ şi Cl-) au câte 8 electroni pe ultimul strat. Forţa de legătură ionică este, în principal, de natură electrostatică şi se exercită între cei doi ioni cu sarcini de semn contrar. Energia de coeziune se determină considerând forţele electrostatice şi cele de natură neelectrostatică (de schimb) datorate suprapunerii parţiale a straturilor electronice. Această legătură este caracteristică unor combinaţii ale metalelor alcaline cu halogenii, combinaţii care în stare solidă formează cristalele de tip ionic. Principalele caracteristici ale cristalelor ionice sunt: - energia de coeziune de valoare ridicată - ceea ce conferă acestor corpuri duritate mare şi punct de topire ridicat; - conducţia electronică slabă (electronii fiind puternic legaţi de ioni) - astfel că în stare solidă cristalele ionice sunt izolanţi electrici, dar în stare lichidă sunt electroliţi, deci conductori de gradul II (cu conducţie ionică); - permitivitatea dielectrică mare (până la 100) - datorită momentelor dipolare formate. Prezintă polarizaţie ionică alături de cea electronică (prezentă în toate corpurile) şi caracteristicile dielectrice (r, tg) variază puţin cu frecvenţa şi temperatura; - se dizolvă, adesea, în apă. B. Legătura covalentă se mai numeşte şi homopolară deoarece se stabileşte de obicei între atomi de acelaşi fel; denumirea de covalentă provine de la faptul că la realizarea ei participă, în primul rând, electronii de valenţă. De regulă, legătura covalentă se realizează prin punerea în comun a doi sau mai mulţi electroni de valenţă ai atomilor între care se exercită legătura astfel încât să se formeze un octet, deci o configuraţie stabilă de gaz inert. Electronii puşi în comun formează perechi, numite compensate pentru că ei au spinii antiparaleli (în această situaţie energia sistemului de atomi fiind minimă). În cazul moleculei de hidrogen, cei doi atomi îşi pun în comun electronii care formează o pereche compensată ce aparţine, în medie, tot atâta timp fiecăruia dintre atomi. În modelul orbitalilor atomici, la realizarea legăturii covalente orbitalii celor doi atomi se suprapun parţial (fig. 1.2,a), electronii găsindu-se în cea mai mare parte a perioadei de rotaţie în regiunea haşurată din figură, regiune rezultată din această suprapunere. De aici, ei exercită forţe de atracţie electrostatică asupra nucleelor pozitive, realizând legătura de tip covalent. a b c Fig. 1.2. Formarea legăturii covalente: a - cu electroni în starea s; b - cu un electron în starea s şi unul în starea p; c - cu electroni în starea p Legătura covalentă din molecula de hidrogen poate fi reprezentată simbolic în modul următor: H:H sau H - H. În afara legăturii simple prezentate, se întâlnesc şi legături duble CH2 = CH2 sau triple N  N, când atomii îşi pun în comun patru, respectiv şase electroni. În figurile 1.2,b şi 1.2,c sunt reprezentate legături realizate între un electron în starea s şi unul în starea p, respectiv între doi electroni în starea p. Rezultă că legăturile realizate între electroni în starea p sunt rigide, cu direcţiile de legătură fixe. Dacă atomii nu sunt identici, se formează dipoli electrici de momente electrice p , a căror sumă raportată la moleculă poate fi nulă (fig. 1.3,a) - molecula rezultată fiind nepolară ( p = 0) - sau nenulă (fig. 1.3,b) - molecula rezultată fiind – în acest caz - polară, cu moment electric spontan sau permanent ( p  0).  a. b. Fig. 1.3. Structura unei molecule cu legătură covalentă: a - nepolară; b - polară (H2O) Cauza formării dipolilor electrici este electronegativitatea (”aviditatea” de electron) diferită a atomilor, astfel că electronii puşi în comun orbitează un timp mai îndelungat în jurul atomilor mai electronegativi (de exemplu oxigenul) şi le conferă acestora o uşoară sarcină negativă iar ceilalţi au o uşoară sarcină pozitivă (hidrogenul, în molecula de apă). Acest tip de legătură apare la constituirea a numeroase molecule ca: H2, O2, N2, Cl2, NH3, H2O, PCl3, etc. şi a altor combinaţii organice. Principalele proprietăţi ale corpurilor cu legături covalente sunt: - energia de coeziune are valori mari, ceea ce explică duritatea mare şi punctul de topire ridicat (mai scăzut, însă, decât la combinaţiile cu legături ionice); - sunt foarte puţin deformabile, datorită caracterului direcţional al legăturii, caracter care determină, datorită aranjării spaţiale mai puţin compacte, un factor de umplere mai mic decât la metale; - sunt izolanţi electrici atât în stare solidă cât şi în stare lichidă deoarece electronii sunt strâns legaţi de atomi; - sunt solubile, de obicei, în lichide organice; - permitivitatea dielectrică relativă are valori mari (rSi = 12, rGe = 14) şi caracteristicile dielectrice variază sensibil cu frecvenţa şi temperatura – în cazul corpurilor cu molecule polare.  C. Legătura metalică este o formă extremă de legătură covalentă nelocalizată realizată prin punerea în comun între toţi atomii sistemului, a electronilor din straturile electronice superioare. Cristalele metalice constau dintr-o reţea ionică pozitivă şi gazul electronic. Gazul electronic este format, în concepţia fizicii clasice, din electronii de valenţă comuni tuturor atomilor şi care se mişcă liber în cristal. El exercită o presiune de natură electrostatică asupra ionilor pozitivi metalici din nodurile reţelei cristaline. Legătura metalică este caracteristică corpurilor metalice şi compuşilor sau fazelor intermetalice (aliaje). Proprietăţile specifice corpurilor cu legătură metalică sunt: - energia de coeziune este mare şi, de aceea, aceste corpuri au duritate mare şi punct de topire ridicat; - conductivitatea electrică şi termică este mare atât în stare solidă cât şi în topitură datorită electronilor ce formează gazul electronic şi care se mişcă liber în cristal. D. Legătura van der Waals este de natură electrostatică; şi se realizează între molecule care au momente nenule. Dacă moleculele au momente electrice spontane atracţia lor rezultă imediat (fig. 1.5). Între o moleculă polară şi una nepolară se exercită o forţă de atracţie de acelaşi tip datorită faptului că, la apropierea lor, câmpul electric produs de prima induce un moment electric în cea de a doua. În cazul moleculelor nepolare, forţele de coeziune sunt datorate interacţiunii dipolilor temporari, care apar când electronii atomilor componenţi trec prin stări nestaţionare, corespunzătoare tranziţiilor lor de pe un nivel energetic pe altul. Se produce atunci o deplasare temporară a centrelor sarcinilor pozitive şi negative, care atribuie moleculelor un caracter dipolar, cu rezultatul apariţiei de forţe de atracţie intermoleculare. Forţele van der Waals sunt slabe şi scad foarte repede cu distanţa dintre molecule dar cresc cu creşterea numărului de electroni, deci cu greutatea moleculară. O astfel de legătură se întâlneşte la parafină, vaselină etc. Proprietăţile specifice corpurilor cu legătură van der Waals sunt: - energia de coeziune mică, ceea ce explică temperatura de topire scăzută; - electronii fiind strâns legaţi de atomi, aceste corpuri sunt izolanţi electrici şi termici;  - corpurile micromoleculare (cerurile) au proprietăţi mecanice slabe iar cele macromoleculare (răşinile sintetice termoplaste) au proprietăţi mecanice relativ bune. E. Legătura de hidrogen se realizează între atomi puternic electronegativi (de exemplu, de fluor, azot, sulf, clor, oxigen) care aparţin aceleiaşi molecule sau unor molecule vecine, prin intermediul unui atom de hidrogen. Legătura dintre moleculele de apă - ilustrată în figura 1.6 - reprezintă o combinaţie între o legătură van der Waals şi una de hidrogen, prima fiind, procentual, mult mai redusă decât a doua. Atomul de hidrogen este legat covalent de un atom de oxigen (din molecula proprie) şi printr-o legătură de hidrogen de un al doilea atom de oxigen (din molecula vecină), după schema O - H …O. În legătura covalentă O - H hidrogenul este încărcat pozitiv şi oxigenul (mai electronegativ) este încărcat negativ. Între atomul de H aparţinând unei molecule şi atomul de O al unei molecule vecine se exercită o forţă de atracţie electrostatică care constituie legătura de hidrogen H…O. Legătura de hidrogen este mai slabă decât cea ionică sau covalentă, dar mai puternică decât legătura van der Waals. Fig. 1.5. Legătura van der Waals între Fig. 1.6. Legătura de hidrogen molecule polare Proprietăţile corpurilor cu legătură de hidrogen sunt: - energia de coeziune are valori medii şi de aceea şi proprietăţile mecanice sunt medii; - sunt izolanţi electrici şi termici; - prezintă anomalii de vâscozitate şi densitate. se mişcă liber în cristal.  Stări de agregare ale corpurilor Atomii şi moleculele pot forma în funcţie de factorii interni (natură şi forţe de legătură) şi de factorii externi (presiune, temperatură, natura şi intensitatea câmpurilor exterioare) corpuri aflate în diferite stări de agregare: solidă, lichidă, gazoasă, plasmă şi materie hiperdensă. Din punct de vedere microscopic starea solidă de agregare se întâlneşte sub formă amorfă, mesomorfă sau cristalină. Corpurile cu structură amorfă prezintă următoarele caracteristici: - particulele constituente au o aşezare ordonată numai pe distanţe mici, de câteva diametre maxime ale lor, pe distanţe mari aşezarea lor este dezordonată. Se spune că se realizează “ordine locală şi dezordine la distanţă”; - energia liberă a corpului (F) prezintă un minim relativ şi de aceea este o stare metastabilă (se observă treceri bruşte ale anumitor corpuri din starea amorfă în starea cristalină, la valori adecvate ale temperaturii); - corpurile amorfe nu au punct de topire net; - sunt izotrope, proprietăţile lor fizice fiind aceleaşi în orice direcţie; - se pot considera lichide suprarăcite deoarece la temperaturi joase ele prezintă, de asemenea, structuri cu “ordine locală şi dezordine la distanţă”. Starea mesomorfă este intermediară între starea amorfă şi cea cristalină şi se întâlneşte la cristalele lichide. Se disting mai multe tipuri de stări mesomorfe: - nematică - în care, moleculele lungi ale cristalelor lichide au centrele de greutate distribuite aleatoriu şi pot aluneca cu uşurinţă unele pe lângă altele; - smectică - în care, moleculele lungi sunt aşezate în straturi putându-se mişca numai în planul stratului; - colesterică - când moleculele sunt aşezate în straturi, orientarea lor variind de la un strat la altul într-o manieră elicoidală şi putând trece dintr-un strat în altul. Corpurile cu structură cristalină au următoarele proprietăţi specifice: - particulele constituente sunt aşezate ordonat pe distanţe mari comparativ cu dimensiunile lor;  - energia liberă a corpurilor prezintă un minim absolut, starea cristalului fiind stabilă; - au punct de topire net; - prezintă anizotropia proprietăţilor - datorită simetriei interne - care au, astfel, caracter vectorial sau tensorial. Reţele cristaline Un cristal ideal este un mediu discontinuu cu o aranjare tridimensională strict ordonată a particulelor constitutive. Această structură cristalină ideală se poate întâlni numai la temperatura de zero grade Kelvin. La creşterea temperaturii, apar defecte de reţea provocate de difuziunea - datorată agitaţiei termice - particulelor în cristal. Structura cristalină este constituită dintr-o reţea de linii drepte şi plane care formează reţeaua cristalină şi o celulă elementară (de bază) care prin translaţie generează întreg cristalul. Liniile drepte se numesc linii reticulare, punctele lor de intersecţie, în care se găsesc centrele a particulelor constitutive, sunt nodurile reţelei cristaline, planele formate de diferitele linii reticulare se numesc a plane reticulare, spaţiile Fig. 1.7. Definirea elementelor reţelei cristaline dintre linii sunt interstiţiile reţelei iar distanţa a dintre două linii reticulare (fig. 1.7) este constanta reţelei cristaline. În funcţie de tipul particulelor din noduri există cristale: atomice, moleculare sau ionice. Reţelele cristaline tridimensionale pot fi clasificate în şapte sisteme de cristalizare: hexagonal, cubic, tetragonal, romboedric (trigonal), rombic, monoclinic şi triclinic. Din acestea derivă 14 tipuri de reţele cristaline, în funcţie de valorile a, b şi c (fig. 1.8) şi de modul de ocupare cu atomi al celulei elementare.  hexagonal cubic tetragonal ac abc abc;  abc; 900 romboedric (trigonal) rombic triclinic monoclinic Fig. 1.8. Sisteme de cristalizare De exemplu, din sistemul cubic derivă: cubul simplu (CS), cubul cu feţe centrate (CFC) şi cubul cu volum centrat (CVC), ilustrate în figura 1.9, unde sunt reprezentaţi, pentru celula elementară cubică, şi indicii lui Miller (cifrele închise între paranteze drepte), indici care corespunad direcţiilor caracteristice ale celulei elementare. Fig. 1.9. Celule cristaline: a - cub simplu (CS) şi indicii lui Miller; b - cub cu feţe centrate (CFC); c - cub cu volum centrat (CVC); d - hexagon compact. 1.2.3. Defecte ale reţelelor cristaline Cristalul real aflat la o temperatură T  0 K nu poate prezenta o structură cristalină ideală, deoarece la o astfel de temperatură apar defecte de reţea, deci abateri de la aşezarea strict ordonată a particulelor. În funcţie de configuraţia lor spaţială defectele de reţea se clasifică în: - punctuale sau zerodimensionale; - liniare sau unidimensionale;  - de suprafaţă sau bidimensionale; - de volum sau tridimensionale. 1. Defectele punctuale constau în lipsa unei particule dintr-un nod (nod vacant), în prezenţa unor particule în interstiţii (interstiţii ocupate) sau în existenţa unor particule de impuritate plasate în noduri sau în interstiţii. După energia de formare, defectele punctuale sunt de tip Schottky sau de tip Frenkel. Defectul de tip Schottky se formează atunci când o particulă părăseşte nodul reţelei cristaline şi se plasează pe suprafaţa cristalului (formând un nou nod) sau în afara lui (fig. 1.10,a). Defectul de tip Frenkel se formează prin plecarea unei particule dintr-un nod (care devine vacant) la suprafaţa cristalului, de unde este adusă într-un interstiţiu care devine ocupat (fig.1.10,b). Deci defectul Schottky este unul simplu, constând dintr-un nod vacant iar cel Frenkel este unul dublu, constând dintr-un nod vacant şi un interstiţiu ocupat. Energia necesară formării defectului Frenkel este mai mare decât cea necesară formării defectului Schottky. nod vacant particulă nod intersiţală vacant suprafaţa cristalului a. b. Fig. 1.10. Defecte punctuale: a - de tip Schottky; b - de tip Frenkel În structurile metalice defectele punctuale nu conduc la modificări importante ale distribuţiei sarcinilor electrice în cristal. În schimb, în cazul cristalelor ionice apar modificări mari: îndepărtarea din reţea a unui ion pozitiv conduce la formarea unei „vacanţe” care se comportă ca un exces de sarcină negativă, iar prin plecarea unui ion negativ apare în vecinătatea vacanţei formate (vacanţă anionică), sarcină pozitivă necompensată. Defectele punctuale prezintă o deosebită importanţă pentru proprietăţile materialelor şi de aceea se impune calculul numărului de defecte punctuale din unitatea de volum. Acest calcul se face satisfăcând condiţia ca, la echilibru termodinamic, energia liberă a cristalului să fie minimă în prezenţa defectelor. 2. Defectele liniare sunt abateri ale ordinii în cristal după o direcţie dată, pe o lungime mare comparativ cu celelalte două dimensiuni. În această categorie intră dislocaţiile care rezidă în linii reticulare care se termină brusc în cristal (ca linia AB din figura 1.12,a). Dacă cristalul este supus unor eforturi mecanice normale pe linia AB, un şir vecin de particule, ca şirul EF din figura 1.12,a, se deplasează şi completează şirul AB iar şirul CD se transformă într-o nouă dislocaţie, deci s-a produs o deplasare a dislocaţiei. Această deplasare a dislocaţiei se face cu un consum relativ mic de energie, deoarece nodurile de reţea de sub AB erau vacante. Maleabilitatea metalelor se datorează, în mare măsură, deplasării dislocaţiilor. a. b. Fig. 1.12. Defecte liniare şi de suprafaţă: a - dislocaţie; b - defect de suprafaţă Densitatea dislocaţiilor caracterizează cristalele din punct de vedere al comportării la deformări plastice. Cristalele cu 1015…1016 dilocaţii/m2 sunt ductile, proprietate care lipseşte în cazul cristalelor cu 105…106 dislocaţii/m2, cum sunt cristalele de Ge sau Si. 3. Defecte de suprafaţă şi de volum. Cele mai importante defecte de suprafaţă se localizează pe suprafeţele care separă volumele distincte, numite grăunţi cristalini sau cristalite, ale cristalului, caracterizate prin existenţa unei aceleiaşi direcţii a liniilor reticulare, în fiecare volum, direcţie care se modifică de la un cristalit la altul (fig. 1.12,b).  Între cristalite există o zonă de trecere în care particulele cristalului ocupă poziţii mai puţin ordonate, intermediare acelora din grăunţii adiacenţi. Aceste zone, ca şi schimbările direcţiilor liniilor reticulare în cristal, constituie defectele de suprafaţă. Defectele de volum sunt considerate a fi grosolane şi constau din goluri, fisuri, incluziuni de corpuri străine în cristal. Un cristal va putea fi utilizat numai în condiţiile absenţei acestui tip de defecte.  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. 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. 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. 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.  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),  r = C / C0. Din punct de vedere microscopic permitivitatea 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  0 = 1/ 4    9 109 = 8,854 10−12 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 = va / a2 = v/a, deci: v = Rva. Pentru a = 1 m rezultă: Fig. 2.1 Definirea rezistivităţii de volum. v = Rv1 [m]. În practică, pe lângă m se utilizează ca unitate de măsură şi cm (1cm = 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. 2.2 Definirea rezistivităţii de suprafaţă. 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 I a şi cel capacitiv I c ) care străbate Fig. 2.3 Definirea unghiului dielectricul (fig. 2.3). Pentru materialele de pierderi. 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. 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); - 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. a b Fig.2.27 Sarcinile termoelectreţilor: a - eterosarcini; b – omosarcini 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. 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 a b c Fig. 2.28 Variaţia în timp a sarcinii termoelectreţilor formaţi în câmpuri electrice: a - slabe; b - puternice; c - medii. anulare a sarcinii totale eterosarcina şi omosarcina sunt egale. 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), 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. Radiaţii  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.  Străpungerea materialelor electroizolante 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. 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 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.  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. 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; - 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. 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 E str 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. 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 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, SF6 , poluare industrială (SO2 , NaCl) , 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.  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.  Denumirea Materiale electroizolante clasei de izolaţie Y Materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice, hârtii 900C celulozice, cartoane - neimpregnate. Polietilenă, polistiren, PVC, cauciuc natural vulcanizat etc. A Materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice, hârtii 1050C 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 Pelicula izolantă a conductoarelor emailate cu lacuri 1200C 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 Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport 1300C 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 Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport 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 Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport 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 Materiale anorganice (mică, sticlă, ceramică etc). Materiale 1800C 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.  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.  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. 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. 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. 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 (