Hvad er dielektrisk tab, og hvad forårsager det

Dielektriske tab er den energi, der spredes per tidsenhed i et dielektrikum, når et elektrisk felt påføres det og får dielektrikumet til at varme op. Ved konstant spænding bestemmes energitab kun af styrken af ​​gennemstrømmen på grund af volumen og overfladeledning. Ved vekselspænding lægges disse tab til tabene på grund af forskellige typer polariseringer, samt tilstedeværelsen af ​​halvlederurenheder, jernoxider, kulstof, gasindeslutninger osv.

I betragtning af det enkleste dielektrikum kan vi skrive udtrykket for den effekt, der spredes i det under påvirkning af en vekselspænding:

Pa = U·I,

hvor U er den spænding, der påføres dielektrikumet, er Aza den aktive komponent af strømmen, der strømmer gennem dielektrikumet.

Det dielektriske ækvivalente kredsløb præsenteres normalt i form af en kondensator og en aktiv modstand forbundet i serie. Fra vektordiagrammet (se fig. 1):

Aza = Integreret kredsløb·tgδ,

hvor δ — vinklen mellem vektoren af ​​den samlede strøm I og dens kapacitive komponent Integreret kredsløb.

Derfor

Pa = U·Integreret kredsløb·tgδ,

men strømmen

Integreret kredsløb = UΩ C,

hvor er kapacitansen af ​​en kondensator (givet dielektrikum) ved vinkelfrekvensen ω.

Som følge heraf er den effekt, der afgives i dielektrikumet

Pa = U2Ω C·tgδ,

dvs. energitabene, der spredes i dielektrikumet, er proportionale med tangenten af ​​vinklen δ, som kaldes dielektrisk tabsvinkel eller blot tabsvinklen. Denne vinkel δ k karakteriserer kvaliteten af ​​dielektrikumet. Jo mindre vinklen di elektriske tab δ er, jo højere er isoleringsmaterialets dielektriske egenskaber.

Ris. 1. Vektordiagram over strømme i et dielektrikum under vekselspænding.

Introduktion af begrebet vinkel δ Det er praktisk for praksis, fordi i stedet for den absolutte værdi af dielektriske tab, tages der hensyn til en relativ værdi, som gør det muligt at sammenligne isoleringsprodukter med dielektrika af forskellig kvalitet.

Dielektriske tab i gasser

Dielektriske tab i gasser er små. Gasser har meget lav elektrisk ledningsevne... Orienteringen af ​​dipolgasmolekyler under deres polarisering er ikke ledsaget af dielektriske tab. Addition tgδ=e(U) kaldes ioniseringskurven (fig. 2).

Ris. 2. Ændring i tgδ som funktion af spænding for isolering med luftindeslutninger

En stigende tgδ med stigende spænding kan vurdere tilstedeværelsen af ​​gasindeslutninger i den faste isolering. Ved betydelig ionisering og tab i gassen kan opvarmning og nedbrydning af isoleringen forekomme.Derfor udsættes isoleringen af ​​viklingerne på højspændingsmaskiner for at fjerne gasindeslutninger under produktionen en særlig behandling - tørring under vakuum, fyldning af isoleringens porer med en opvarmet forbindelse under tryk og rulle til presning.

Ionisering af luftindeslutninger ledsages af dannelsen af ​​ozon og nitrogenoxider, som har en ødelæggende effekt på organisk isolering. Ionisering af luft i ujævne felter, for eksempel i elledninger, er ledsaget af effekten af ​​synligt lys (corona) og betydelige tab, hvilket reducerer transmissionseffektiviteten.

Dielektriske tab i flydende dielektriske stoffer

Dielektriske tab i væsker afhænger af deres sammensætning. I neutrale (ikke-polære) væsker uden urenheder er den elektriske ledningsevne meget lav, derfor er dielektriske tab også små i dem. For eksempel har raffineret kondensatorolie en tgδ

Inden for teknologi, polære væsker (Sovol, ricinusolie osv.) eller blandinger af neutrale og dipolære væsker (transformer olie, forbindelser osv.), hvor dielektriske tab er væsentligt højere end for neutrale væsker. For eksempel er tgδ for ricinusolie ved en frekvens på 106 Hz og en temperatur på 20°C (293 K) 0,01.

Dielektrisk tab af polære væsker afhænger af viskositeten. Disse tab kaldes dipoltab, fordi de skyldes dipolpolarisering.

Ved lav viskositet er molekylerne orienteret under påvirkning af et friktionsfrit felt, dipoltabene i dette tilfælde er små, og de totale dielektriske tab skyldes kun elektrisk ledningsevne. Dipoltab stiger med stigende viskositet.Ved en vis viskositet er tabene maksimale.

Dette forklares ved, at ved tilstrækkelig høj viskositet har molekylerne ikke tid til at følge ændringen i feltet, og dipolpolariseringen forsvinder praktisk talt. I dette tilfælde er de dielektriske tab små. Når frekvensen stiger, skifter det maksimale tab til et højere temperaturområde.

Temperaturafhængigheden af ​​tab er kompleks: tgδ stiger med stigende temperatur, når sit maksimum, falder derefter til et minimum, stiger derefter igen, dette forklares ved en stigning i elektrisk ledningsevne. Dipoltabene stiger med stigende frekvens indtil polariseringen når at følge ændringen i feltet, hvorefter dipolmolekylerne ikke længere når at orientere sig helt i feltets retning og tabene bliver konstante.

I væsker med lav viskositet dominerer ledningstab ved lave frekvenser, og dipoltab er ubetydelige; tværtimod, ved radiofrekvenser er dipoltabene høje. Derfor bruges dipoldielektriske stoffer ikke i højfrekvente felter.

Dielektriske tab i faste dielektriske stoffer

Dielektriske tab i faste dielektriske stoffer afhænger af strukturen (krystallinsk eller amorf), sammensætningen (organisk eller uorganisk) og arten af ​​polarisationen. I sådanne faste neutrale dielektrika som svovl, paraffin, polystyren, som kun har elektronisk polarisering, er der ingen dielektriske tab. Tab kan kun skyldes urenheder. Derfor bruges sådanne materialer som højfrekvente dielektriske stoffer.

Uorganiske materialer, såsom enkeltkrystaller af stensalt, sylvit, kvarts og ren glimmer, der har elektronisk og ionisk polarisering, har lave dielektriske tab alene på grund af elektrisk ledningsevne. Dielektriske tab i disse krystaller afhænger ikke af frekvensen, og tgδ falder med stigende frekvens. Efterhånden som temperaturen stiger, ændres tabene og tgft på samme måde som den elektriske ledningsevne og stiger ifølge loven om en eksponentiel funktion.

I glas af forskellig sammensætning, for eksempel keramik med et højt indhold af glasfasen, observeres tab på grund af elektrisk ledningsevne. Disse tab er forårsaget af bevægelsen af ​​svagt bundne ioner; de forekommer sædvanligvis ved temperaturer over 50 — 100°C (323 — 373 K). Disse tab stiger betydeligt med temperaturen i henhold til loven om en eksponentiel funktion og afhænger lidt af frekvensen (tgδ falder med stigende frekvens).

I uorganiske polykrystallinske dielektrika (marmor, keramik osv.) opstår der yderligere dielektriske tab på grund af tilstedeværelsen af ​​halvlederurenheder: fugt, jernoxider, kulstof, gas osv. samme materiale, fordi materialets egenskaber ændres under påvirkning af miljøforhold.

Dielektriske tab i organiske polære dielektrika (træ, celluloseethere, naturlig opløsning, syntetiske harpikser) skyldes strukturel polarisering på grund af løs partikelpakning. Disse tab afhænger af, at temperaturen har et maksimum ved en bestemt temperatur, samt at frekvensen stiger med dens vækst. Derfor bruges disse dielektrika ikke i højfrekvente felter.

Karakteristisk har afhængigheden tgδ af temperaturen for papir imprægneret med forbindelsen to maksima: den første observeres ved negative temperaturer og karakteriserer tabet af fibre, den anden maksimum ved forhøjede temperaturer skyldes tabet af dipolen af ​​forbindelsen. Når temperaturen stiger i polære dielektriske stoffer, stiger tabene forbundet med elektrisk ledningsevne.