Kaj je dielektrična izguba in kaj jo povzroča

Dielektrične izgube so energija, razpršena na enoto časa v dielektriku, ko nanj deluje električno polje in povzroči segrevanje dielektrika. Pri konstantni napetosti so izgube energije določene le z jakostjo pretočnega toka zaradi volumske in površinske prevodnosti. Pri izmenični napetosti se te izgube dodajo izgubam zaradi različnih vrst polarizacij, pa tudi prisotnosti polprevodniških nečistoč, železovih oksidov, ogljika, plinskih vključkov itd.

Če upoštevamo najpreprostejši dielektrik, lahko zapišemo izraz za moč, ki se v njem razprši pod vplivom izmenične napetosti:

Pa = U·I,

kjer je U napetost, ki deluje na dielektrik, Aza je aktivna komponenta toka, ki teče skozi dielektrik.

Dielektrično ekvivalentno vezje je običajno predstavljeno v obliki zaporedno vezanega kondenzatorja in aktivnega upora. Iz vektorskega diagrama (glej sliko 1):

Aza = integrirano vezje·tgδ,

kjer je δ - kot med vektorjem skupnega toka I in njegovo kapacitivno komponento integriranega vezja.

Zato

Pa = U·Integrirano vezje·tgδ,

ampak trenutni

Integrirano vezje = UΩ C,

kjer je kapacitivnost kondenzatorja (glede na dielektrik) pri kotni frekvenci ω.

Posledično je moč, ki se razprši v dielektriku

Pa = U2Ω C·tgδ,

tj. izgube energije, razpršene v dielektriku, so sorazmerne s tangensom kota δ, ki se imenuje dielektrični izgubni kot ali preprosto kot izgube. Ta kot δ k označuje kakovost dielektrika. Čim manjši je kot di električnih izgub δ, tem večje so dielektrične lastnosti izolacijskega materiala.

riž. 1. Vektorski diagram tokov v dielektriku pod izmenično napetostjo.

Uvedba pojma kota δ Za prakso je primeren, saj se namesto absolutne vrednosti dielektričnih izgub upošteva relativna vrednost, kar omogoča primerjavo izolacijskih izdelkov z dielektriki različne kakovosti.

Dielektrične izgube v plinih

Dielektrične izgube v plinih so majhne. Plini imajo zelo nizka električna prevodnost… Orientacije dipolnih plinskih molekul med njihovo polarizacijo ne spremljajo dielektrične izgube. Dodatek tgδ=e(U) imenujemo ionizacijska krivulja (slika 2).

riž. 2. Sprememba tgδ kot funkcija napetosti za izolacijo z zračnimi vključki

Naraščajoči tgδ z naraščajočo napetostjo lahko oceni prisotnost plinskih vključkov v trdni izolaciji. Pri večji ionizaciji in izgubah plina lahko pride do segrevanja in razpada izolacije.Zato je izolacija navitij visokonapetostnih električnih strojev za odstranjevanje plinskih vključkov med proizvodnjo podvržena posebni obdelavi - sušenju pod vakuumom, polnjenju por izolacije z ogrevano spojino pod pritiskom in valjanju za stiskanje.

Ionizacijo zračnih vključkov spremlja nastajanje ozona in dušikovih oksidov, ki uničujejo organsko izolacijo. Ionizacijo zraka v neenakomernih poljih, na primer v daljnovodih, spremlja učinek vidne svetlobe (korona) in znatne izgube, kar zmanjšuje učinkovitost prenosa.

Dielektrične izgube v tekočih dielektrikih

Dielektrične izgube v tekočinah so odvisne od njihove sestave. V nevtralnih (nepolarnih) tekočinah brez primesi je električna prevodnost zelo nizka, zato so tudi dielektrične izgube v njih majhne. Na primer, rafinirano kondenzatorsko olje ima tgδ

V tehniki polarne tekočine (Sovol, ricinusovo olje itd.) ali mešanice nevtralnih in dipolarnih tekočin (transformatorsko olje, spojine itd.), pri katerih so dielektrične izgube znatno večje kot pri nevtralnih tekočinah. Na primer, tgδ ricinusovega olja pri frekvenci 106 Hz in temperaturi 20 °C (293 K) je 0,01.

Dielektrična izguba polarnih tekočin je odvisna od viskoznosti. Te izgube imenujemo dipolne izgube, ker so posledica dipolne polarizacije.

Pri nizki viskoznosti so molekule usmerjene pod delovanjem polja brez trenja, dipolne izgube so v tem primeru majhne, ​​skupne dielektrične izgube pa so posledica samo električne prevodnosti. Dipolne izgube naraščajo z naraščajočo viskoznostjo.Pri določeni viskoznosti so izgube največje.

To je razloženo z dejstvom, da pri dovolj visoki viskoznosti molekule nimajo časa slediti spremembi polja in dipolna polarizacija praktično izgine. V tem primeru so dielektrične izgube majhne. Z naraščanjem frekvence se največja izguba premakne v območje višje temperature.

Temperaturna odvisnost izgub je zapletena: tgδ narašča z naraščajočo temperaturo, doseže svoj maksimum, nato pade na minimum, nato pa se spet poveča, kar je razloženo s povečanjem električne prevodnosti. Izgube dipola naraščajo z naraščajočo frekvenco, dokler polarizacija nima časa slediti spremembi polja, potem pa se molekule dipola nimajo več časa popolnoma orientirati v smeri polja in izgube postanejo konstantne.

V tekočinah z nizko viskoznostjo pri nizkih frekvencah prevladujejo prevodne izgube, dipolne izgube pa so zanemarljive; nasprotno, pri radijskih frekvencah so dipolne izgube velike. Zato se dipolni dielektriki ne uporabljajo v visokofrekvenčnih poljih.

Dielektrične izgube v trdnih dielektrikih

Dielektrične izgube v trdnih dielektrikih so odvisne od strukture (kristalna ali amorfna), sestave (organske ali anorganske) in narave polarizacije. V tako trdnih nevtralnih dielektrikih, kot so žveplo, parafin, polistiren, ki imajo samo elektronsko polarizacijo, ni dielektričnih izgub. Izgube so lahko samo zaradi nečistoč. Zato se takšni materiali uporabljajo kot visokofrekvenčni dielektriki.

Anorganski materiali, kot so posamezni kristali kamene soli, silvit, kremen in čista sljuda, ki imajo elektronsko in ionsko polarizacijo, imajo nizke dielektrične izgube samo zaradi električne prevodnosti. Dielektrične izgube v teh kristalih niso odvisne od frekvence in tgδ pada z naraščajočo frekvenco. Z naraščanjem temperature se izgube in tgft spreminjajo na enak način kot električna prevodnost in naraščajo po zakonu eksponentne funkcije.

V kozarcih različnih sestav, na primer keramika z visoko vsebnostjo steklaste faze, opazimo izgube zaradi električne prevodnosti. Te izgube so posledica gibanja šibko vezanih ionov; običajno se pojavijo pri temperaturah nad 50 — 100 °C (323 — 373 K). Te izgube znatno naraščajo s temperaturo po zakonu eksponentne funkcije in so malo odvisne od frekvence (tgδ pada z naraščajočo frekvenco).

V anorganskih polikristalnih dielektrikih (marmor, keramika itd.) Nastanejo dodatne dielektrične izgube zaradi prisotnosti polprevodniških primesi: vlage, železovih oksidov, ogljika, plina itd. istega materiala, ker se lastnosti materiala spreminjajo pod vplivom okoljskih razmer.

Dielektrične izgube v organskih polarnih dielektrikih (les, celulozni etri, naravne raztopine, sintetične smole) so posledica strukturne polarizacije zaradi ohlapnega pakiranja delcev. Te izgube so odvisne od temperature, ki ima maksimum pri določeni temperaturi, pa tudi od frekvence, ki narašča z njeno rastjo. Zato se ti dielektriki ne uporabljajo v visokofrekvenčnih poljih.

Značilno je, da ima odvisnost tgδ od temperature za papir, impregniran s spojino, dva maksimuma: prvega opazimo pri negativnih temperaturah in označuje izgubo vlaken, drugi maksimum pri povišanih temperaturah pa je posledica izgube dipola spojine. Z zvišanjem temperature v polarnih dielektrikih se povečajo izgube, povezane z električno prevodnostjo.