Ce este pierderea dielectrică și ce o provoacă

Pierderile dielectrice sunt energia disipată pe unitatea de timp într-un dielectric atunci când i se aplică un câmp electric și determină încălzirea dielectricului. La tensiune constantă, pierderile de energie sunt determinate numai de puterea curentului de trecere datorată volumului și conducției de suprafață. La tensiune alternativă, acestor pierderi se adaugă pierderilor datorate diferitelor tipuri de polarizări, precum și prezenței impurităților semiconductoare, oxizi de fier, carbon, incluziuni de gaz etc.

Considerând cel mai simplu dielectric, putem scrie expresia puterii disipate în el sub influența unei tensiuni alternative:

Pa = U·I,

unde U este tensiunea aplicată dielectricului, Aza este componenta activă a curentului care circulă prin dielectric.

Circuitul echivalent dielectric este de obicei prezentat sub forma unui condensator și a unei rezistențe active conectate în serie. Din diagrama vectorială (vezi Fig. 1):

Aza = Circuit integrat·tgδ,

unde δ — unghiul dintre vectorul curentului total I și componenta sa capacitivă Circuit integrat.

Prin urmare

Pa = U·Circuit integrat·tgδ,

dar curentul

Circuit integrat = UΩ C,

unde este capacitatea unui condensator (dată dielectrică) la frecvența unghiulară ω.

Ca urmare, puterea disipată în dielectric este

Pa = U2Ω C·tgδ,

adică pierderile de energie disipate în dielectric sunt proporționale cu tangentei unghiului δ care se numește unghiul de pierdere dielectrică sau pur și simplu unghiul de pierdere. Acest unghi δ k caracterizează calitatea dielectricului. Cu cât unghiul de pierderi electrice δ este mai mic, cu atât sunt mai mari proprietățile dielectrice ale materialului izolator.

Orez. 1. Diagrama vectorială a curenților într-un dielectric sub tensiune alternativă.

Introducerea conceptului de unghi δ Este convenabil pentru practică, deoarece în loc de valoarea absolută a pierderilor dielectrice se ia în considerare o valoare relativă, care face posibilă compararea produselor de izolație cu dielectrici de calitate diferită.

Pierderi dielectrice în gaze

Pierderile dielectrice în gaze sunt mici. Gazele au conductivitate electrică foarte scăzută… Orientarea moleculelor de gaz dipol în timpul polarizării lor nu este însoțită de pierderi dielectrice. Adunarea tgδ=e(U) se numește curbă de ionizare (Fig. 2).

Orez. 2. Modificarea tgδ în funcție de tensiune pentru izolarea cu incluziuni de aer

O creștere a tgδ cu creșterea tensiunii poate evalua prezența incluziunilor de gaz în izolația solidă. Cu ionizare semnificativă și pierderi de gaz, pot apărea încălzirea și deteriorarea izolației.Prin urmare, izolarea înfășurărilor mașinilor electrice de înaltă tensiune pentru a elimina incluziunile de gaz în timpul producției este supusă unui tratament special - uscare sub vid, umplere a porilor izolației cu un compus încălzit sub presiune și rulare pentru presare.

Ionizarea incluziunilor de aer este însoțită de formarea de ozon și oxizi de azot, care au un efect distructiv asupra izolației organice. Ionizarea aerului în câmpuri neuniforme, de exemplu, în liniile electrice, este însoțită de efectul luminii vizibile (corona) și de pierderi semnificative, ceea ce reduce eficiența transmisiei.

Pierderi dielectrice în dielectricele lichide

Pierderile dielectrice în lichide depind de compoziția lor. În lichidele neutre (nepolare) fără impurități, conductivitatea electrică este foarte scăzută, prin urmare pierderile dielectrice sunt și ele mici. De exemplu, uleiul de condensator rafinat are un tgδ

În tehnologie, lichide polare (Sovol, ulei de ricin etc.) sau amestecuri de lichide neutre și dipolare (ulei de transformator, compuși etc.), în care pierderile dielectrice sunt semnificativ mai mari decât cele ale lichidelor neutre. De exemplu, tgδ a uleiului de ricin la o frecvență de 106 Hz și o temperatură de 20°C (293 K) este 0,01.

Pierderea dielectrică a lichidelor polare depinde de vâscozitate. Aceste pierderi se numesc pierderi dipol deoarece se datorează polarizării dipolului.

La vâscozitate scăzută, moleculele sunt orientate sub acțiunea unui câmp fără frecare, pierderile dipolului în acest caz sunt mici, iar pierderile dielectrice totale se datorează doar conductivității electrice. Pierderile dipolului cresc odată cu creșterea vâscozității.La o anumită vâscozitate, pierderile sunt maxime.

Acest lucru se explică prin faptul că la vâscozitate suficient de mare moleculele nu au timp să urmărească schimbarea câmpului iar polarizarea dipolului practic dispare. În acest caz, pierderile dielectrice sunt mici. Pe măsură ce frecvența crește, pierderea maximă se deplasează într-o regiune cu temperatură mai ridicată.

Dependența de temperatură a pierderilor este complexă: tgδ crește odată cu creșterea temperaturii, atinge maximul său, apoi scade la minim, apoi crește din nou, acest lucru se explică prin creșterea conductibilității electrice. Pierderile dipolului cresc cu frecvența crescândă până când polarizarea are timp să urmărească schimbarea câmpului, după care moleculele dipolului nu mai au timp să se orienteze complet în direcția câmpului și pierderile devin constante.

În fluidele cu vâscozitate scăzută, pierderile de conducție predomină la frecvențe joase, iar pierderile de dipol sunt neglijabile; dimpotrivă, la frecvențele radio pierderile de dipol sunt mari. Prin urmare, dielectricii dipol nu sunt utilizați în câmpurile de înaltă frecvență.

Pierderi dielectrice în dielectricii solizi

Pierderile dielectrice în dielectricii solizi depind de structură (cristalină sau amorfă), de compoziție (organică sau anorganică) și de natura polarizării. În astfel de dielectrici neutri solidi precum sulful, parafina, polistirenul, care au doar polarizare electronică, nu există pierderi dielectrice. Pierderile se pot datora doar impurităților. Prin urmare, astfel de materiale sunt folosite ca dielectrici de înaltă frecvență.

Materialele anorganice, cum ar fi monocristalele de sare gemă, silvita, cuarț și mica pură, care posedă polarizare electronică și ionică, au pierderi dielectrice scăzute numai datorită conductivității electrice. Pierderile dielectrice din aceste cristale nu depind de frecvență, iar tgδ scade odată cu creșterea frecvenței. Pe măsură ce temperatura crește, pierderile și tgft se modifică în același mod ca și conductivitatea electrică, crescând conform legii unei funcții exponențiale.

În paharele de compoziție diferită, de exemplu, ceramica cu un conținut ridicat de faza vitroasă, se observă pierderi datorate conductivității electrice. Aceste pierderi sunt cauzate de mișcarea ionilor slab legați; ele apar de obicei la temperaturi peste 50 — 100°C (323 — 373 K). Aceste pierderi cresc semnificativ cu temperatura conform legii unei funcții exponențiale și depind puțin de frecvență (tgδ scade odată cu creșterea frecvenței).

În dielectricii anorganici policristalini (marmură, ceramică etc.), apar pierderi dielectrice suplimentare din cauza prezenței impurităților semiconductoare: umiditate, oxizi de fier, carbon, gaz etc. același material, deoarece proprietățile materialului se modifică sub influența condițiilor de mediu.

Pierderile dielectrice în dielectricii polari organici (lemn, eteri de celuloză, soluție naturală, rășini sintetice) se datorează polarizării structurale datorate împachetării particulelor libere. Aceste pierderi depind de temperatura care are un maxim la o anumita temperatura precum si de frecventa care creste odata cu cresterea acesteia. Prin urmare, acești dielectrici nu sunt utilizați în câmpuri de înaltă frecvență.

În mod caracteristic, dependența tgδ de temperatură pentru hârtia impregnată cu compus are două maxime: primul se observă la temperaturi negative și caracterizează pierderea fibrelor, al doilea maxim la temperaturi ridicate se datorează pierderii dipolului compusului. Pe măsură ce temperatura crește în dielectricii polari, pierderile asociate cu conductivitatea electrică cresc.