Kas ir dielektriskie zudumi un kas tos izraisa

Dielektriskie zudumi ir enerģija, kas izkliedēta laika vienībā dielektrikā, kad tam tiek pielietots elektriskais lauks un tas izraisa dielektriķa uzsilšanu. Pie pastāvīga sprieguma enerģijas zudumus nosaka tikai caurplūdes strāvas stiprums tilpuma un virsmas vadītspējas dēļ. Pie maiņstrāvas sprieguma šie zudumi tiek pieskaitīti zaudējumiem, kas radušies dažāda veida polarizāciju, kā arī pusvadītāju piemaisījumu, dzelzs oksīdu, oglekļa, gāzu ieslēgumu u.c.

Ņemot vērā vienkāršāko dielektriķi, mēs varam uzrakstīt izteiksmi jaudai, kas tajā izkliedējas mainīga sprieguma ietekmē:

Pa = U·I,

kur U ir dielektriķim pievadītais spriegums, Aza ir caur dielektriķi plūstošās strāvas aktīvā sastāvdaļa.

Dielektriskā ekvivalentā ķēde parasti tiek parādīta kā kondensators un virknē savienota aktīvā pretestība. No vektoru diagrammas (skat. 1. att.):

Aza = integrālā shēma·tgδ,

kur δ — leņķis starp kopējās strāvas I vektoru un tās kapacitatīvo komponenti Integrētā shēma.

Tāpēc

Pa = U·Integrētā ķēde·tgδ,

bet strāva

Integrētā shēma = UΩ C,

kur ir kondensatora kapacitāte (dota dielektriskā) pie leņķiskās frekvences ω.

Tā rezultātā dielektrikā izkliedētā jauda ir

Pa = U2Ω C·tgδ,

t.i. dielektrikā izkliedētie enerģijas zudumi ir proporcionāli leņķa δ tangensei, ko sauc dielektriskā zuduma leņķis vai vienkārši zaudējuma leņķis. Šis leņķis δ k raksturo dielektriķa kvalitāti. Jo mazāks ir elektrisko zudumu leņķis δ, jo augstākas ir izolācijas materiāla dielektriskās īpašības.

Rīsi. 1. Strāvu vektorshēma dielektrikā zem mainīga sprieguma.

Leņķa δ jēdziena ieviešana Praksē ir ērti, jo dielektrisko zudumu absolūtās vērtības vietā tiek ņemta vērā relatīvā vērtība, kas ļauj salīdzināt izolācijas izstrādājumus ar dažādas kvalitātes dielektriķiem.

Dielektriskie zudumi gāzēs

Dielektriskie zudumi gāzēs ir nelieli. Gāzēm ir ļoti zema elektriskā vadītspēja… Dipola gāzes molekulu orientāciju to polarizācijas laikā nepavada dielektriskie zudumi. Papildinājumu tgδ=e(U) sauc par jonizācijas līkni (2. att.).

Rīsi. 2. Tgδ izmaiņas kā sprieguma funkcija izolācijai ar gaisa ieslēgumiem

Pieaugošs tgδ ar pieaugošu spriegumu var novērtēt gāzes ieslēgumu klātbūtni cietajā izolācijā. Ar ievērojamu jonizāciju un gāzes zudumiem var rasties izolācijas uzkaršana un noārdīšanās.Tāpēc augstsprieguma elektromašīnu tinumu izolācija gāzes ieslēgumu noņemšanai ražošanas laikā tiek pakļauta īpašai apstrādei - žāvēšanai vakuumā, izolācijas poru piepildīšanai ar uzkarsētu savienojumu zem spiediena un velmēšanas presēšanai.

Gaisa ieslēgumu jonizāciju pavada ozona un slāpekļa oksīdu veidošanās, kam ir destruktīva ietekme uz organisko izolāciju. Gaisa jonizāciju nelīdzenos laukos, piemēram, elektrolīnijās, pavada redzamās gaismas iedarbība (korona) un ievērojami zudumi, kas samazina pārraides efektivitāti.

Dielektriskie zudumi šķidros dielektriķos

Dielektriskie zudumi šķidrumos ir atkarīgi no to sastāva. Neitrālos (nepolāros) šķidrumos bez piemaisījumiem elektrovadītspēja ir ļoti zema, tāpēc arī tajos dielektriskie zudumi ir nelieli. Piemēram, rafinētai kondensatora eļļai ir tgδ

Tehnoloģijā polārie šķidrumi (Sovol, rīcineļļa utt.) vai neitrālu un dipolāru šķidrumu maisījumi (transformatora eļļa, savienojumi utt.), kuros dielektriskie zudumi ir ievērojami lielāki nekā neitrāliem šķidrumiem. Piemēram, rīcineļļas tgδ frekvencē 106 Hz un 20°C (293 K) temperatūrā ir 0,01.

Polāro šķidrumu dielektriskie zudumi ir atkarīgi no viskozitātes. Šos zudumus sauc par dipola zudumiem, jo ​​tie rodas dipola polarizācijas dēļ.

Pie zemas viskozitātes molekulas ir orientētas bezberzes lauka iedarbībā, dipolu zudumi šajā gadījumā ir nelieli, un kopējie dielektriskie zudumi ir saistīti tikai ar elektrovadītspēju. Dipola zudumi palielinās, palielinoties viskozitātei.Pie noteiktas viskozitātes zudumi ir maksimāli.

Tas izskaidrojams ar to, ka pie pietiekami augstas viskozitātes molekulām nav laika sekot līdzi lauka izmaiņām un dipola polarizācija praktiski izzūd. Šajā gadījumā dielektriskie zudumi ir nelieli. Palielinoties frekvencei, maksimālais zudums pāriet uz augstākas temperatūras reģionu.

Zaudējumu atkarība no temperatūras ir sarežģīta: tgδ palielinās, palielinoties temperatūrai, sasniedz maksimumu, tad samazinās līdz minimumam, tad atkal palielinās, tas izskaidrojams ar elektrovadītspējas pieaugumu. Dipola zudumi palielinās, palielinoties frekvencei, līdz polarizācijai ir laiks sekot lauka izmaiņām, pēc tam dipola molekulām vairs nav laika pilnībā orientēties lauka virzienā un zudumi kļūst nemainīgi.

Zemas viskozitātes šķidrumos vadītspējas zudumi dominē zemās frekvencēs, un dipola zudumi ir niecīgi; gluži pretēji, radiofrekvencēs dipola zudumi ir lieli. Tāpēc augstfrekvences laukos dipola dielektriķus neizmanto.

Dielektriskie zudumi cietos dielektriķos

Dielektriskie zudumi cietos dielektriķos ir atkarīgi no struktūras (kristāliska vai amorfa), sastāva (organiskā vai neorganiskā) un polarizācijas rakstura. Tādos cietos neitrālos dielektriķos kā sērs, parafīns, polistirols, kuriem ir tikai elektroniska polarizācija, dielektrisko zudumu nav. Zaudējumi var rasties tikai piemaisījumu dēļ. Tāpēc šādus materiālus izmanto kā augstfrekvences dielektriķus.

Neorganiskiem materiāliem, piemēram, akmeņsāls, silvīta, kvarca un tīras vizlas monokristāliem, kuriem piemīt elektroniska un jonu polarizācija, ir zemi dielektriskie zudumi tikai elektriskās vadītspējas dēļ. Dielektriskie zudumi šajos kristālos nav atkarīgi no frekvences, un tgδ samazinās, palielinoties frekvencei. Paaugstinoties temperatūrai, zudumi un tgft mainās tāpat kā elektriskā vadītspēja, palielinoties saskaņā ar eksponenciālās funkcijas likumu.

Dažāda sastāva glāzēs, piemēram, keramikā ar augstu stiklveida fāzes saturu, tiek novēroti zudumi elektrovadītspējas dēļ. Šos zudumus izraisa vāji saistītu jonu kustība; tie parasti notiek temperatūrā virs 50–100°C (323–373 K). Šie zudumi ievērojami palielinās līdz ar temperatūru saskaņā ar eksponenciālās funkcijas likumu un ir maz atkarīgi no frekvences (tgδ samazinās, palielinoties frekvencei).

Neorganiskajos polikristāliskos dielektriķos (marmorā, keramikā utt.) rodas papildu dielektriskie zudumi pusvadītāju piemaisījumu klātbūtnes dēļ: mitruma, dzelzs oksīdu, oglekļa, gāzes utt. tas pats materiāls, jo materiāla īpašības mainās vides apstākļu ietekmē.

Dielektriskie zudumi organiskajos polārajos dielektriķos (koksne, celulozes ēteri, dabīgais šķīdums, sintētiskie sveķi) rodas strukturālas polarizācijas dēļ vaļīgu daļiņu blīvējuma dēļ. Šie zudumi ir atkarīgi no temperatūras maksimuma noteiktā temperatūrā, kā arī no frekvences, kas palielinās līdz ar tās pieaugumu. Tāpēc šie dielektriķi netiek izmantoti augstfrekvences laukos.

Raksturīgi, ka atkarībai tgδ no temperatūras papīram, kas piesūcināts ar maisījumu, ir divi maksimumi: pirmais tiek novērots negatīvās temperatūrās un raksturo šķiedru zudumu, otrs maksimums paaugstinātā temperatūrā ir saistīts ar savienojuma dipola zudumu. Paaugstinoties temperatūrai polārajos dielektriķos, palielinās zudumi, kas saistīti ar elektrisko vadītspēju.