Dielektrik kaybı nedir ve neden olur?

Dielektrik kayıplar, bir dielektrik üzerine bir elektrik alanı uygulandığında dielektrikte birim zamanda dağılan ve dielektrikin ısınmasına neden olan enerjidir. Sabit voltajda, enerji kayıpları, hacim ve yüzey iletimi nedeniyle yalnızca geçiş akımının gücü ile belirlenir. Alternatif voltajda, bu kayıplar, farklı polarizasyon türlerinin yanı sıra yarı iletken safsızlıkların, demir oksitlerin, karbon, gaz inklüzyonlarının vb. Varlığından kaynaklanan kayıplara eklenir.

En basit dielektrik ele alındığında, alternatif bir voltajın etkisi altında dağılan güç için ifadeyi yazabiliriz:

Pa = U·I,

burada U, dielektrik üzerine uygulanan voltajdır, Aza, dielektrik boyunca akan akımın aktif bileşenidir.

Dielektrik eşdeğer devresi genellikle bir kondansatör ve seri bağlı bir aktif direnç şeklinde sunulur. Vektör diyagramından (bkz. Şekil 1):

Aza = Entegre devre·tgδ,

nerede δ - I toplam akımının vektörü ile entegre devrenin kapasitif bileşeni arasındaki açı.

Öyleyse

Pa = U·Entegre devre·tgδ,

ama şu anki

Entegre devre = UΩ C,

ω açısal frekansında bir kapasitörün (dielektrik verilen) kapasitansı nerede.

Sonuç olarak, dielektrikte dağılan güç

Pa = U2Ω C·tgδ,

yani dielektrikte dağılan enerji kayıpları, denilen δ açısının tanjantıyla orantılıdır. dielektrik kayıp açısı veya sadece kayıp açısı. Bu δk açısı dielektrik kalitesini karakterize eder. Di elektrik kayıpları δ açısı ne kadar küçük olursa, yalıtım malzemesinin dielektrik özellikleri o kadar yüksek olur.

Pirinç. 1. Alternatif voltaj altında bir dielektrikteki akımların vektör diyagramı.

δ açısı kavramının tanıtılması Uygulama için uygundur, çünkü dielektrik kayıplarının mutlak değeri yerine, yalıtım ürünlerini farklı kalitedeki dielektriklerle karşılaştırmayı mümkün kılan nispi bir değer dikkate alınır.

Gazlarda dielektrik kayıplar

Gazlardaki dielektrik kayıpları küçüktür. gazlar var çok düşük elektrik iletkenliği... Dipol gaz moleküllerinin polarizasyonları sırasında oryantasyonlarına dielektrik kayıplar eşlik etmez. Toplama tgδ=e(U) iyonlaşma eğrisi olarak adlandırılır (Şekil 2).

Pirinç. 2. Hava katkılı yalıtım için voltajın bir fonksiyonu olarak tgδ'deki değişim

Artan voltajla yükselen bir tgδ, katı yalıtımda gaz kalıntılarının varlığını değerlendirebilir. Gazda önemli iyonlaşma ve kayıplar ile yalıtımın ısınması ve bozulması meydana gelebilir.Bu nedenle, üretim sırasında gaz kalıntılarını gidermek için yüksek voltajlı elektrik makinelerinin sargılarının yalıtımı özel bir işleme tabi tutulur - vakum altında kurutma, yalıtımın gözeneklerini basınç altında ısıtılmış bir bileşikle doldurma ve presleme için haddeleme.

Hava kalıntılarının iyonlaşmasına, organik yalıtım üzerinde yıkıcı bir etkiye sahip olan ozon ve nitrojen oksitlerin oluşumu eşlik eder. Engebeli alanlarda, örneğin elektrik hatlarında havanın iyonlaşmasına, görünür ışığın (korona) etkisi ve iletim verimliliğini azaltan önemli kayıplar eşlik eder.

Sıvı dielektriklerde dielektrik kayıplar

Sıvılardaki dielektrik kayıpları bileşimlerine bağlıdır. Safsızlık içermeyen nötr (polar olmayan) sıvılarda elektriksel iletkenlik çok düşüktür, bu nedenle içlerinde dielektrik kayıpları da küçüktür. Örneğin, rafine kondenser yağının bir tgδ'sı vardır.

Teknolojide polar sıvılar (Sovol, hint yağı vb.) veya nötr ve dipolar sıvıların karışımları (trafo yağıdielektrik kayıplarının nötr sıvılardan önemli ölçüde daha yüksek olduğu bileşikler, vb.). Örneğin, 106 Hz frekansta ve 20°C (293 K) sıcaklıkta hint yağının tgδ değeri 0,01'dir.

Polar sıvıların dielektrik kaybı viskoziteye bağlıdır. Bu kayıplara dipol kayıpları denir, çünkü bunlar dipol polarizasyonundan kaynaklanır.

Düşük viskozitede, moleküller sürtünmesiz bir alanın etkisi altında yönlendirilir, bu durumda dipol kayıpları küçüktür ve toplam dielektrik kayıpları yalnızca elektriksel iletkenlikten kaynaklanır. Dipol kayıpları artan viskozite ile artar.Belirli bir viskozitede kayıplar maksimumdur.

Bu, yeterince yüksek viskozitede moleküllerin alandaki değişimi takip edecek zamanlarının olmaması ve dipol polarizasyonun pratik olarak ortadan kalkmasıyla açıklanır. Bu durumda, dielektrik kayıpları küçüktür. Frekans arttıkça, maksimum kayıp daha yüksek bir sıcaklık bölgesine kayar.

Kayıpların sıcaklığa bağlılığı karmaşıktır: tgδ artan sıcaklıkla artar, maksimuma ulaşır, sonra minimuma düşer, sonra tekrar artar, bu elektriksel iletkenlikteki artışla açıklanır. Dipol kayıpları, kutuplaşmanın alandaki değişikliği takip edecek zamanı olana kadar artan frekansla artar, bundan sonra dipol moleküllerinin kendilerini alan yönünde tam olarak yönlendirmek için zamanları kalmaz ve kayıplar sabit hale gelir.

Düşük viskoziteli sıvılarda, düşük frekanslarda iletim kayıpları baskındır ve dipol kayıpları ihmal edilebilir düzeydedir; aksine, radyo frekanslarında dipol kayıpları yüksektir. Bu nedenle, dipol dielektrikler yüksek frekans alanlarında kullanılmaz.

Katı dielektriklerde dielektrik kayıplar

Katı dielektriklerdeki dielektrik kayıpları yapıya (kristal veya amorf), bileşime (organik veya inorganik) ve polarizasyonun doğasına bağlıdır. Sadece elektronik polarizasyona sahip kükürt, parafin, polistiren gibi katı nötr dielektriklerde dielektrik kayıpları yoktur. Kayıplar sadece safsızlıklardan kaynaklanabilir. Bu nedenle, bu tür malzemeler yüksek frekanslı dielektrikler olarak kullanılır.

Elektronik ve iyonik polarizasyona sahip tek kristal kaya tuzu, silvit, kuvars ve saf mika gibi inorganik malzemeler, yalnızca elektriksel iletkenlikten dolayı düşük dielektrik kayıplarına sahiptir. Bu kristallerdeki dielektrik kayıplar frekansa bağlı değildir ve artan frekansla tgδ azalır. Sıcaklık arttıkça kayıplar ve tgft elektriksel iletkenlikle aynı şekilde değişir ve üstel fonksiyon yasasına göre artar.

Farklı bileşime sahip camlarda, örneğin yüksek camsı faz içeriğine sahip seramiklerde, elektriksel iletkenlikten kaynaklanan kayıplar gözlenir. Bu kayıplara zayıf bağlı iyonların hareketi neden olur; genellikle 50 — 100°C'nin (323 — 373 K) üzerindeki sıcaklıklarda oluşurlar. Bu kayıplar, üstel fonksiyon yasasına göre sıcaklıkla önemli ölçüde artar ve frekansa çok az bağlıdır (artan frekansla tgδ azalır).

İnorganik çok kristalli dielektriklerde (mermer, seramik, vb.), yarı iletken safsızlıkların varlığından dolayı ek dielektrik kayıpları meydana gelir: nem, demir oksitler, karbon, gaz, vb. Aynı malzeme, çünkü malzemenin özellikleri çevre koşullarının etkisi altında değişir.

Organik polar dielektriklerdeki (ahşap, selüloz eterler, doğal çözelti, sentetik reçineler) dielektrik kayıpları, gevşek parçacık paketlenmesinden kaynaklanan yapısal polarizasyondan kaynaklanır. Bu kayıplar, sıcaklığın belirli bir sıcaklıkta bir maksimuma sahip olmasına ve ayrıca büyümesiyle artan frekansa bağlıdır. Bu nedenle, bu dielektrikler yüksek frekans alanlarında kullanılmazlar.

Karakteristik olarak, bileşik emdirilmiş kağıt için sıcaklığa bağlı tgδ iki maksimuma sahiptir: birincisi negatif sıcaklıklarda gözlenir ve lif kaybını karakterize eder, ikinci maksimum yüksek sıcaklıklarda bileşiğin dipolünün kaybından kaynaklanır. Polar dielektriklerde sıcaklık arttıkça elektriksel iletkenlikle ilgili kayıplar artar.