Termenul „pierdere dielectric“ provine din faptul că, într-o energie dielectric ideal poate acumula numai în formă W = e 0 e E 2/2, (per unitate de volum, cm. (2.1)), dar nu a pierdut. Într-un dielectric real, o parte din energie părăsește circuitul electric, transformându-se într-un alt tip de energie, și anume căldură. Există două canale principale pentru transformarea energiei în căldură: pierderile datorate pierderilor de conductivitate și polarizare.
Vom determina pierderile datorate conductivității la tensiune constantă din expresii cunoscute. Din legea lui Ohm poate determina puterea absorbită de izolare a substanței P = U 2 / Rizol și din legea lui Ohm în formă diferențială (formula (1.23)) datorită conductivității normale a pierderilor de putere specifice sunt p = E 2 / r.
În cazul tensiunii alternative, există pierderi suplimentare asociate curenților de polarizare și de absorbție, care sunt reprezentați de obicei ca:
P = U 2 w Ctg d (2,5)
unde d este unghiul de pierdere dielectric. a cărui semnificație poate fi înțeleasă din diagrama vectorială din figura 2.5. tg d = Ia / Ic este raportul dintre curentul activ și curentul reactiv. În principiu, sensul fizic al bronzului poate fi înțeles din considerente generale. Puterea de pierdere este puterea activă, produsul curentului activ și tensiunea. Se poate trece de la unghiul cunoscut între curent și tensiune j P = UIcos j. exprimând I prin curentul reactiv I = Ip / sin j. obținem P = U 2 w · C · ctg j. din care este clar că d = p ¤ 2 - j.
În plus față de acest concept, introducem un nou factor de calitate Q = 1 / tg d, care caracterizează numărul de perioade în care energia stocată W = CU 2/2 este absorbită în dielectric.
În unele cazuri este recomandabil să se ia în considerare pierderile dielectrice specifice p = E 2 w · e · e 0 tan d. (2.6)
Oferim expresiile pentru tgd pentru diferite scheme de substituție dielectrică:
Figura 2.1. tg d = 1 / w RC;
Pentru referință, dăm valorile tg d pentru cele mai bune grade ale unor dielectrice la o frecvență de 50 Hz.
Ulei de transformator (T = 90 ° C) 5 · 10 -3
Dielectricități gazoase 10-9
Polietilenă 10-4
Ceramică feroelectrică pe bază de titanat de bariu 10-3
Luați în considerare motivele pentru o diferență atât de mare în pierderile dielectrice. După cum sa arătat mai sus, principala contribuție la pierderi se datorează conductivității și stabilității polarizării. Conductivitatea determină pierderile sub acțiunea unei tensiuni constante și, într-o măsură mai mică, la frecvențe joase. Pe măsură ce crește frecvența, rolul pierderilor de polarizare crește. Ideea este că polarizarea nu este stabilită instantaneu, dar de ceva timp, în funcție de tipul de polarizare. Electronizarea polarizării în dielectrice nepolare este stabilită în timpuri subpicosecunde, polarizarea dipolului în dielectrici polari - în timp nanosecunde. polarizarea domeniului în feroelectrice - pentru perioade de micro și submicrosecunde.
Sub influența unei tensiuni alternative, a cărei perioadă este mult mai scurtă decât timpul pentru stabilirea polarizării corespunzătoare, permitivitatea corespunzătoare acestui tip nu este stabilită, iar pierderile asociate cu aceasta sunt mici. Prin urmare, în dielectricul nepolar, pierderile sunt mici, practic la toate frecvențele. Dacă perioada de tensiune alternantă este apropiată de momentul stabilirii polarizării, atunci pierderile sunt maxime.
Din punct de vedere fizic, acest lucru poate fi reprezentat după cum urmează în exemplul de polarizare a dipolului. Când se aplică tensiunea, dipolii încep să se rotească și sunt orientați de-a lungul acțiunii câmpului electric aproximativ la sfârșitul primului semestru al tensiunii. În următoarea jumătate a ciclului, se desfășoară și se orientează într-o nouă direcție până la sfârșit. Acest fenomen aminteste in mod inerent de rezonanta. Se pare că dipolii se rotesc în mod continuu și, deoarece toate acestea se produc într-un mediu vâscos, energia mișcării care vine din câmpul electric este transferată moleculelor înconjurătoare, adică Energia provenită de la sursă este folosită pentru încălzirea dielectricului. Sub influența unei tensiuni alternative, a cărei perioadă este mult mai lungă decât timpul pentru stabilirea polarizării corespunzătoare, permitivitatea corespunzătoare acestei forme este maximă, iar pierderile asociate cu aceasta sunt mici.
Să analizăm singularitățile pierderilor dielectrice în dielectrice de diferite tipuri. Pierderile reduse în dielectricilor gazoși datorită atât conductivitate scăzută (a se vedea. Secțiunea 1.2.2.), și o polarizare mică, chiar și în cazul moleculelor de dipol, deoarece puține numărul de molecule într-un gaz, și vâscozitate mică de gaz.
Pierderile comparativ scăzute în polietilenă se datorează în primul rând polarizării moleculelor și grupurilor de molecule de polietilenă. În acest caz, pierderile apar în principal datorită prezenței impurităților, polarizării lor, mișcării impurităților neîncărcate și altora asemănătoare.
Pierderile în dielectricii lichizi, cum ar fi uleiul de transformator, sunt asociate cu prezența unor grupuri slab polare în molecule (compoziția uleiului va fi discutată mai jos în capitolul 3) și prezența impurităților ionice.
În feroelectrice, pierderile sunt ridicate în gama de frecvențe megahertz, care se datorează stabilirii polarizării domeniului.
În dielectrici complexe, caracterizate prin prezența unui curent de absorbție, pierderile maxime sunt observate la frecvențe a căror perioadă este apropiată de timpul caracteristic al scăderii curentului de absorbție.
Trebuie remarcat faptul că pierderile dielectrice din orice material depind de temperatură, frecvență, umiditate și intensitatea câmpului. Dependența de frecvență a pierderilor este o caracteristică a materialului și este determinată pentru fiecare material dielectric nu numai de proprietățile moleculelor materiale, ci și de prezența și compoziția impurităților. De regulă, pierderile au un maxim la una sau mai multe frecvențe, în funcție de tipul de molecule. Poziția maximelor se caracterizează prin frecvențele intrinseci ale stabilirii polarizării. Acestea pot fi asociate cu rotația moleculelor polare într-un dielectric lichid sau cu rotația unui domeniu într-un feroelectric. De exemplu, pentru un dielectric care corespunde circuitului din figura 3b, pierderile sunt maxime la o frecvență w m
1 / t. Studiul comportamentului de frecvență al pierderilor, așa-numitele. spectroscopia dielectrică face posibilă studierea structurii substanțelor.
Dependența de temperatură a pierderilor este, de obicei, monotonă, pierderile cresc odată cu creșterea temperaturii, deși unele dielectrice dipole prezintă maxime locale care sunt de aceeași natură ca și maximele în dependența de frecvență.
Cu umiditatea tot mai mare, pierderile cresc, adesea foarte semnificativ. Acest lucru se datorează atât creșterii conductivității, cât și polarizării apei dizolvate și emulsionate.
O creștere a intensității câmpului este însoțită de o creștere a tg d. care se explică prin creșterea conductivității electrice. Motivele pentru aceasta vor fi discutate în detaliu în secțiunea următoare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: