Què és la pèrdua dielèctrica i què la provoca

Les pèrdues dielèctriques són l'energia dissipada per unitat de temps en un dielèctric quan se li aplica un camp elèctric i fa que el dielèctric s'escalfi. A tensió constant, les pèrdues d'energia només es determinen per la força del corrent passant a causa del volum i la conducció superficial. En tensió alterna, aquestes pèrdues s'afegeixen a les pèrdues degudes a diferents tipus de polaritzacions, així com a la presència d'impureses de semiconductors, òxids de ferro, carboni, inclusions de gas, etc.

Tenint en compte el dielèctric més simple, podem escriure l'expressió de la potència dissipada en ell sota la influència d'una tensió alterna:

Pa = U·I,

on U és la tensió aplicada al dielèctric, Aza és el component actiu del corrent que circula pel dielèctric.

El circuit dielèctric equivalent es presenta generalment en forma de condensador i una resistència activa connectada en sèrie. A partir del diagrama vectorial (vegeu la figura 1):

Aza = Circuit integrat·tgδ,

on δ — l'angle entre el vector del corrent total I i el seu component capacitiu Circuit integrat.

Per tant

Pa = U·Circuit integrat·tgδ,

però el corrent

Circuit integrat = UΩ C,

on és la capacitat d'un condensador (donat dielèctric) a freqüència angular ω.

Com a resultat, la potència dissipada en el dielèctric és

Pa = U2Ω C·tgδ,

és a dir les pèrdues d'energia dissipades en el dielèctric són proporcionals a la tangent de l'angle δ que s'anomena angle de pèrdua dielèctrica o simplement l'angle de pèrdua. Aquest angle δ k caracteritza la qualitat del dielèctric. Com més petit sigui l'angle di pèrdues elèctriques δ, més altes són les propietats dielèctriques del material aïllant.

Arròs. 1. Diagrama vectorial de corrents en un dielèctric sota tensió alterna.

Introducció del concepte d'angle δ És convenient per a la pràctica, perquè en comptes del valor absolut de les pèrdues dielèctriques, es té en compte un valor relatiu, que permet comparar productes d'aïllament amb dielèctrics de diferent qualitat.

Pèrdues dielèctriques en gasos

Les pèrdues dielèctriques en gasos són petites. Els gasos tenen conductivitat elèctrica molt baixa… L'orientació de les molècules de gas dipolar durant la seva polarització no va acompanyada de pèrdues dielèctriques. L'addició tgδ=e(U) s'anomena corba d'ionització (Fig. 2).

Arròs. 2. Canvi de tgδ en funció de la tensió per a l'aïllament amb inclusions d'aire

Un tgδ creixent amb una tensió creixent pot avaluar la presència d'inclusions de gas a l'aïllament sòlid. Amb una ionització significativa i pèrdues de gas, es pot produir escalfament i ruptura de l'aïllament.Per tant, l'aïllament dels bobinatges de les màquines elèctriques d'alta tensió per eliminar les inclusions de gas durant la producció se sotmet a un tractament especial: assecat al buit, omplint els porus de l'aïllament amb un compost escalfat a pressió i enrotllant per premsar.

La ionització de les inclusions d'aire va acompanyada de la formació d'òxids d'ozó i nitrogen, que tenen un efecte destructiu sobre l'aïllament orgànic. La ionització de l'aire en camps irregulars, per exemple, en línies elèctriques, s'acompanya de l'efecte de la llum visible (corona) i de pèrdues importants, que redueixen l'eficiència de la transmissió.

Pèrdues dielèctriques en dielèctrics líquids

Les pèrdues dielèctriques en líquids depenen de la seva composició. En líquids neutres (no polars) sense impureses, la conductivitat elèctrica és molt baixa, per tant les pèrdues dielèctriques també són petites. Per exemple, l'oli de condensador refinat té un tgδ

En tecnologia, líquids polars (Sovol, oli de ricí, etc.) o mescles de líquids neutres i dipolars (oli del transformador, compostos, etc.), en què les pèrdues dielèctriques són significativament superiors a les dels líquids neutres. Per exemple, la tgδ de l'oli de ricí a una freqüència de 106 Hz i una temperatura de 20 °C (293 K) és de 0,01.

La pèrdua dielèctrica dels líquids polars depèn de la viscositat. Aquestes pèrdues s'anomenen pèrdues dipols perquè es deuen a la polarització del dipol.

A baixa viscositat, les molècules s'orienten sota l'acció d'un camp sense fricció, les pèrdues dipols en aquest cas són petites i les pèrdues dielèctriques totals només es deuen a la conductivitat elèctrica. Les pèrdues dipols augmenten amb l'augment de la viscositat.A una certa viscositat, les pèrdues són màximes.

Això s'explica pel fet que a una viscositat prou alta les molècules no tenen temps de seguir el canvi en el camp i la polarització del dipol pràcticament desapareix. En aquest cas, les pèrdues dielèctriques són petites. A mesura que augmenta la freqüència, la pèrdua màxima es desplaça a una regió de temperatura més alta.

La dependència de la temperatura de les pèrdues és complexa: tgδ augmenta amb l'augment de la temperatura, arriba al seu màxim, després disminueix al mínim i després torna a augmentar, això s'explica per un augment de la conductivitat elèctrica. Les pèrdues dipols augmenten amb la freqüència creixent fins que la polarització té temps de seguir el canvi en el camp, després del qual les molècules dipols ja no tenen temps d'orientar-se completament en la direcció del camp i les pèrdues es tornen constants.

En fluids de baixa viscositat, les pèrdues de conducció predominen a baixes freqüències, i les pèrdues de dipol són insignificants; per contra, a radiofreqüències les pèrdues dipols són elevades. Per tant, els dielèctrics dipols no s'utilitzen en camps d'alta freqüència.

Pèrdues dielèctriques en dielèctrics sòlids

Les pèrdues dielèctriques en dielèctrics sòlids depenen de l'estructura (cristal·lina o amorfa), de la composició (orgànica o inorgànica) i de la naturalesa de la polarització. En dielèctrics tan sòlids neutres com el sofre, la parafina, el poliestirè, que només tenen polarització electrònica, no hi ha pèrdues dielèctriques. Les pèrdues només poden ser degudes a impureses. Per tant, aquests materials s'utilitzen com a dielèctrics d'alta freqüència.

Els materials inorgànics, com ara cristalls senzills de sal de roca, silvita, quars i mica pura, que posseeixen polarització electrònica i iònica, tenen pèrdues dielèctriques baixes només per la conductivitat elèctrica. Les pèrdues dielèctriques en aquests cristalls no depenen de la freqüència, i tgδ disminueix amb l'augment de la freqüència. A mesura que augmenta la temperatura, les pèrdues i tgft canvien de la mateixa manera que la conductivitat elèctrica, augmentant segons la llei d'una funció exponencial.

En vidres de diferent composició, per exemple, ceràmiques amb un alt contingut de la fase vítria, s'observen pèrdues per conductivitat elèctrica. Aquestes pèrdues són causades pel moviment d'ions dèbilment units; solen produir-se a temperatures superiors a 50 — 100 °C (323 — 373 K). Aquestes pèrdues augmenten significativament amb la temperatura segons la llei d'una funció exponencial i depenen poc de la freqüència (tgδ disminueix amb l'augment de la freqüència).

En els dielèctrics policristalins inorgànics (marbre, ceràmica, etc.), es produeixen pèrdues dielèctriques addicionals per la presència d'impureses semiconductors: humitat, òxids de ferro, carboni, gas, etc. el mateix material, perquè les propietats del material canvien sota la influència de les condicions ambientals.

Les pèrdues dielèctriques en dielèctrics polars orgànics (fusta, èters de cel·lulosa, solució natural, resines sintètiques) es deuen a la polarització estructural deguda a l'empaquetament de partícules soltes. Aquestes pèrdues depenen de que la temperatura tingui un màxim a una determinada temperatura així com de la freqüència que augmenta amb el seu creixement. Per tant, aquests dielèctrics no s'utilitzen en camps d'alta freqüència.

De manera característica, la dependència tgδ de la temperatura per al paper impregnat amb el compost té dos màxims: el primer s'observa a temperatures negatives i caracteritza la pèrdua de fibres, el segon màxim a temperatures elevades es deu a la pèrdua del dipol del compost. A mesura que augmenta la temperatura en els dielèctrics polars, augmenten les pèrdues associades a la conductivitat elèctrica.