Co to jest strata dielektryczna i co ją powoduje

Straty dielektryczne to energia rozpraszana w jednostce czasu w dielektryku, gdy przyłożone jest do niego pole elektryczne i powoduje nagrzewanie się dielektryka. Przy stałym napięciu straty energii są określane tylko przez siłę prądu skrośnego z powodu przewodnictwa objętościowego i powierzchniowego. Przy napięciu przemiennym straty te sumują się ze stratami wynikającymi z różnego rodzaju polaryzacji, a także obecności zanieczyszczeń półprzewodnikowych, tlenków żelaza, węgla, wtrąceń gazowych itp.

Biorąc pod uwagę najprostszy dielektryk, możemy zapisać wyrażenie na moc wydzielaną w nim pod wpływem napięcia przemiennego:

Pa = U·I,

gdzie U jest napięciem przyłożonym do dielektryka, Aza jest składową czynną prądu płynącego przez dielektryk.

Obwód zastępczy dielektryka jest zwykle przedstawiany w postaci kondensatora i rezystancji czynnej połączonych szeregowo. Ze schematu wektorowego (patrz ryc. 1):

Aza = Układ scalony·tgδ,

gdzie δ — kąt między wektorem prądu całkowitego I a jego składową pojemnościową Układ scalony.

Dlatego

Pa = U·Układ scalony·tgδ,

ale prąd

Układ scalony = UΩ C,

gdzie jest pojemność kondensatora (dany dielektryk) przy częstotliwości kątowej ω.

W rezultacie moc rozpraszana w dielektryku wynosi

Pa = U2Ω C·tgδ,

tj. straty energii rozpraszane w dielektryku są proporcjonalne do tangensa kąta δ, który jest tzw kąt strat dielektrycznych lub po prostu kąt straty. Ten kąt δ k charakteryzuje jakość dielektryka. Im mniejszy kąt di strat elektrycznych δ, tym lepsze właściwości dielektryczne materiału izolacyjnego.

Ryż. 1. Wykres wektorowy prądów w dielektryku pod napięciem przemiennym.

Wprowadzenie pojęcia kąta δ Jest to wygodne w praktyce, ponieważ zamiast wartości bezwzględnej strat dielektrycznych bierze się pod uwagę wartość względną, co umożliwia porównywanie wyrobów izolacyjnych z dielektrykami różnej jakości.

Straty dielektryczne w gazach

Straty dielektryczne w gazach są niewielkie. Gazy mają bardzo niska przewodność elektryczna… Orientacji molekuł dipolowych gazów podczas ich polaryzacji nie towarzyszą straty dielektryczne. Dodatek tgδ=e(U) nazywany jest krzywą jonizacji (Rys. 2).

Ryż. 2. Zmiana tgδ w funkcji napięcia dla izolacji z wtrąceniami powietrza

Rosnący tgδ wraz ze wzrostem napięcia może ocenić obecność wtrąceń gazowych w izolacji stałej. Przy znacznej jonizacji i stratach w gazie może dojść do nagrzania i przebicia izolacji.Dlatego izolacja uzwojeń maszyn elektrycznych wysokiego napięcia w celu usunięcia wtrąceń gazowych podczas produkcji poddawana jest specjalnej obróbce — suszeniu pod próżnią, wypełnieniu porów izolacji podgrzaną masą pod ciśnieniem i walcowaniu do prasowania.

Jonizacji wtrąceń powietrza towarzyszy powstawanie ozonu i tlenków azotu, które działają destrukcyjnie na izolację organiczną. Jonizacji powietrza w nierównych polach, np. w liniach energetycznych, towarzyszy efekt światła widzialnego (korona) i znaczne straty, które zmniejszają wydajność transmisji.

Straty dielektryczne w ciekłych dielektrykach

Straty dielektryczne w cieczach zależą od ich składu. W cieczach obojętnych (niepolarnych) pozbawionych zanieczyszczeń przewodność elektryczna jest bardzo mała, dlatego też straty dielektryczne są w nich niewielkie. Na przykład rafinowany olej ze skraplacza ma tgδ

W technice ciecze polarne (Sovol, olej rycynowy itp.) lub mieszaniny cieczy neutralnych i dipolarnych (olej transformatorowy, związki itp.), w których straty dielektryczne są znacznie większe niż w cieczach obojętnych. Na przykład tgδ oleju rycynowego przy częstotliwości 106 Hz i temperaturze 20°C (293 K) wynosi 0,01.

Straty dielektryczne cieczy polarnych zależą od lepkości. Straty te nazywane są stratami dipolowymi, ponieważ wynikają z polaryzacji dipolowej.

Przy niskiej lepkości cząsteczki są zorientowane pod działaniem pola bez tarcia, straty dipolowe w tym przypadku są niewielkie, a całkowite straty dielektryczne wynikają tylko z przewodnictwa elektrycznego. Straty dipolowe rosną wraz ze wzrostem lepkości.Przy określonej lepkości straty są maksymalne.

Wyjaśnia to fakt, że przy wystarczająco wysokiej lepkości cząsteczki nie mają czasu na nadążanie za zmianą pola, a polaryzacja dipolowa praktycznie zanika. W tym przypadku straty dielektryczne są niewielkie. Wraz ze wzrostem częstotliwości maksymalna strata przesuwa się do obszaru o wyższej temperaturze.

Zależność strat od temperatury jest złożona: tgδ rośnie wraz ze wzrostem temperatury, osiąga maksimum, następnie spada do minimum, a następnie ponownie wzrasta, co tłumaczy się wzrostem przewodności elektrycznej. Straty dipolowe rosną wraz ze wzrostem częstotliwości, aż polaryzacja zdąży nadążyć za zmianą pola, po czym cząsteczki dipolowe nie mają już czasu na pełne zorientowanie się w kierunku pola, a straty stają się stałe.

W płynach o niskiej lepkości straty przewodzenia przeważają przy niskich częstotliwościach, a straty dipolowe są znikome; wręcz przeciwnie, przy częstotliwościach radiowych straty dipolowe są wysokie. Dlatego dielektryki dipolowe nie są stosowane w polach o wysokiej częstotliwości.

Straty dielektryczne w dielektrykach stałych

Straty dielektryczne w stałych dielektrykach zależą od struktury (krystalicznej lub amorficznej), składu (organiczny lub nieorganiczny) oraz charakteru polaryzacji. W takich stałych obojętnych dielektrykach jak siarka, parafina, polistyren, które mają tylko polaryzację elektronową, nie ma strat dielektrycznych. Straty mogą wynikać tylko z zanieczyszczeń. Dlatego takie materiały są stosowane jako dielektryki o wysokiej częstotliwości.

Materiały nieorganiczne, takie jak monokryształy soli kamiennej, sylwit, kwarc i czysta mika, posiadające polaryzację elektronową i jonową, mają niskie straty dielektryczne z powodu samego przewodnictwa elektrycznego. Straty dielektryczne w tych kryształach nie zależą od częstotliwości, a tgδ maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Wraz ze wzrostem temperatury straty i tgft zmieniają się w taki sam sposób jak przewodność elektryczna, rosnąc zgodnie z prawem funkcji wykładniczej.

W szkłach o różnym składzie, np. ceramicznych z dużą zawartością fazy szklistej, obserwuje się straty spowodowane przewodnictwem elektrycznym. Straty te są spowodowane ruchem słabo związanych jonów; zwykle występują w temperaturach powyżej 50 — 100°C (323 — 373 K). Straty te znacznie rosną wraz z temperaturą zgodnie z prawem funkcji wykładniczej iw niewielkim stopniu zależą od częstotliwości (tgδ maleje wraz ze wzrostem częstotliwości).

W nieorganicznych dielektrykach polikrystalicznych (marmur, ceramika itp.) występują dodatkowe straty dielektryczne spowodowane obecnością zanieczyszczeń półprzewodnikowych: wilgoci, tlenków żelaza, węgla, gazu itp. tego samego materiału, ponieważ właściwości materiału zmieniają się pod wpływem warunków środowiskowych.

Straty dielektryczne w organicznych polarnych dielektrykach (drewno, etery celulozy, roztwór naturalny, żywice syntetyczne) wynikają z polaryzacji strukturalnej spowodowanej luźnym upakowaniem cząstek. Straty te zależą od temperatury mającej maksimum w danej temperaturze oraz częstotliwości wzrastającej wraz z jej wzrostem. Dlatego te dielektryki nie są używane w polach o wysokiej częstotliwości.

Charakterystyczne jest, że zależność tgδ od temperatury dla papieru impregnowanego związkiem ma dwa maksima: pierwsze obserwuje się w temperaturach ujemnych i charakteryzuje się utratą włókien, drugie maksimum w temperaturach podwyższonych jest spowodowane utratą dipola związku. Wraz ze wzrostem temperatury dielektryków polarnych rosną straty związane z przewodnictwem elektrycznym.