Mis on dielektriline kadu ja mis seda põhjustab

Dielektrilised kaod on energia, mis hajub dielektrikus ajaühikus, kui sellele rakendatakse elektrivälja ja mis põhjustab dielektriku kuumenemise. Pideva pinge korral määrab energiakaod ainult mahust ja pinnajuhtivusest tingitud läbivoolu tugevuse järgi. Vahelduvpingel lisanduvad need kaod erinevat tüüpi polarisatsioonidest, aga ka pooljuhtide lisandite, raudoksiidide, süsiniku, gaasisulgude jms tõttu tekkivatele kadudele.

Arvestades kõige lihtsamat dielektrikut, saame kirjutada selles vahelduvpinge mõjul hajuva võimsuse avaldise:

Pa = U·I,

kus U on dielektrikule rakendatav pinge, Aza on dielektriku läbiva voolu aktiivne komponent.

Dielektriline ekvivalentskeem esitatakse tavaliselt kondensaatori ja järjestikku ühendatud aktiivtakistuse kujul. Vektordiagrammilt (vt joonis 1):

Aza = integraallülitus·tgδ,

kus δ — koguvoolu I vektori ja selle mahtuvusliku komponendi vaheline nurk Integraallülitus.

Seetõttu

Pa = U·integraallülitus·tgδ,

aga praegune

Integraallülitus = UΩ C,

kus on kondensaatori mahtuvus (antud dielektrik) nurksagedusel ω.

Selle tulemusena on dielektrikus hajunud võimsus

Pa = U2Ω C·tgδ,

st. dielektrikus hajunud energiakaod on võrdelised nurga δ puutujaga, mida nimetatakse dielektrilise kao nurk või lihtsalt kaotuse nurk. See nurk δ k iseloomustab dielektriku kvaliteeti. Mida väiksem on elektrikaod δ, seda suuremad on isolatsioonimaterjali dielektrilised omadused.

Riis. 1. Vahelduvpinge all oleva dielektriku voolude vektorskeem.

Nurga δ mõiste sissejuhatus Praktikas on see mugav, kuna dielektriliste kadude absoluutväärtuse asemel võetakse arvesse suhtelist väärtust, mis võimaldab võrrelda isolatsioonitooteid erineva kvaliteediga dielektrikutega.

Dielektrilised kaod gaasides

Dielektrilised kaod gaasides on väikesed. Gaasidel on väga madal elektrijuhtivus… Dipoolgaasimolekulide orientatsiooniga nende polarisatsiooni ajal ei kaasne dielektrikaod. Liitumist tgδ=e(U) nimetatakse ionisatsioonikõveraks (joonis 2).

Riis. 2. Tgδ muutus pinge funktsioonina õhusulgudega isolatsiooni korral

Kasvava pingega tgδ võib hinnata gaasisulgude olemasolu tahkes isolatsioonis. Märkimisväärse ionisatsiooni ja gaasikadude korral võib isolatsioon kuumeneda ja puruneda.Seetõttu töödeldakse kõrgepinge elektrimasinate mähiste isolatsiooni gaasisulgude eemaldamiseks tootmise käigus spetsiaalselt — kuivatatakse vaakumis, täidetakse isolatsiooni poorid rõhu all kuumutatud ühendiga ja rullitakse pressimiseks.

Õhusulgude ioniseerimisega kaasneb osooni ja lämmastikoksiidide moodustumine, millel on orgaanilisele isolatsioonile hävitav mõju. Õhu ioniseerimisega ebatasastel väljadel, näiteks elektriliinides, kaasneb nähtava valguse (koroona) mõju ja olulised kaod, mis vähendab ülekande efektiivsust.

Dielektrilised kaod vedelates dielektrikutes

Dielektrilised kaod vedelikes sõltuvad nende koostisest. Neutraalsetes (mittepolaarsetes) lisanditeta vedelikes on elektrijuhtivus väga madal, seetõttu on ka nendes dielektrilised kaod väikesed. Näiteks rafineeritud kondensaatorõlil on tgδ

Tehnoloogias polaarsed vedelikud (Sovol, kastoorõli jne) või neutraalsete ja dipolaarsete vedelike segud (trafo õli, ühendid jne), mille dielektrilised kaod on oluliselt suuremad kui neutraalsetel vedelikel. Näiteks kastoorõli tgδ sagedusel 106 Hz ja temperatuuril 20 °C (293 K) on 0,01.

Polaarsete vedelike dielektriline kadu sõltub viskoossusest. Neid kadusid nimetatakse dipoolkadudeks, kuna need on tingitud dipooli polarisatsioonist.

Madala viskoossuse korral on molekulid orienteeritud hõõrdumiseta välja toimel, dipoolikaod on sel juhul väikesed ja kogu dielektrikaod on tingitud ainult elektrijuhtivusest. Dipoolkaod suurenevad viskoossuse suurenedes.Teatud viskoossuse korral on kaod maksimaalsed.

Seda seletatakse asjaoluga, et piisavalt kõrge viskoossuse korral ei jõua molekulid välja muutust jälgida ja dipooli polarisatsioon praktiliselt kaob. Sel juhul on dielektrilised kaod väikesed. Sageduse kasvades nihkub maksimaalne kadu kõrgema temperatuuriga piirkonda.

Kadude temperatuurisõltuvus on keeruline: tgδ suureneb temperatuuri tõustes, saavutab maksimumi, siis väheneb miinimumini, siis jälle suureneb, seda seletatakse elektrijuhtivuse suurenemisega. Dipoolkaod suurenevad sageduse suurenemisega, kuni polarisatsioonil on aega välja muutust jälgida, misjärel ei ole dipoolmolekulidel enam aega täielikult välja suunas orienteeruda ja kaod muutuvad konstantseks.

Madala viskoossusega vedelikes domineerivad juhtivuskaod madalatel sagedustel ja dipoolikaod on tühised; vastupidi, raadiosagedustel on dipoolkaod suured. Seetõttu ei kasutata kõrgsagedusväljades dipooldielektrikuid.

Dielektrilised kaod tahketes dielektrikutes

Tahkete dielektrikute dielektrilised kaod sõltuvad struktuurist (kristalliline või amorfne), koostisest (orgaaniline või anorgaaniline) ja polarisatsiooni iseloomust. Sellistes tahketes neutraalsetes dielektrikutes nagu väävel, parafiin, polüstüreen, millel on ainult elektrooniline polarisatsioon, ei esine dielektrilisi kadusid. Kaod võivad olla tingitud ainult lisanditest. Seetõttu kasutatakse selliseid materjale kõrgsageduslike dielektrikutena.

Anorgaanilistel materjalidel, nagu kivisoola, silviidi, kvartsi ja puhta vilgukivi monokristallid, millel on elektrooniline ja ioonne polarisatsioon, on ainuüksi elektrijuhtivuse tõttu väikesed dielektrilised kaod. Nende kristallide dielektrilised kaod ei sõltu sagedusest ja tgδ väheneb sageduse suurenedes. Temperatuuri tõustes muutuvad kaod ja tgft samamoodi nagu elektrijuhtivus, suurenedes vastavalt eksponentsiaalfunktsiooni seadusele.

Erineva koostisega klaasides, näiteks suure klaaskeha faasi sisaldusega keraamikas, täheldatakse elektrijuhtivusest tingitud kadusid. Need kaod on põhjustatud nõrgalt seotud ioonide liikumisest; need esinevad tavaliselt temperatuuril üle 50–100°C (323–373 K). Need kaod suurenevad märkimisväärselt koos temperatuuriga vastavalt eksponentsiaalfunktsiooni seadusele ja sõltuvad vähe sagedusest (tgδ väheneb sageduse suurenedes).

Anorgaanilistes polükristallilistes dielektrikutes (marmor, keraamika jne) tekivad täiendavad dielektrilised kaod pooljuhtide lisandite: niiskuse, raudoksiidide, süsiniku, gaasi jne olemasolu tõttu. sama materjal, sest materjali omadused muutuvad keskkonnatingimuste mõjul.

Dielektrilised kaod orgaanilistes polaarsetes dielektrikutes (puit, tsellulooseetrid, looduslik lahus, sünteetilised vaigud) on tingitud struktuursest polarisatsioonist, mis on tingitud osakeste lahtisest pakkimisest. Need kaod sõltuvad temperatuuri maksimumist teatud temperatuuril ning selle kasvuga suurenevast sagedusest. Seetõttu ei kasutata neid dielektrikuid kõrgsagedusväljades.

Iseloomulikult on ühendiga immutatud paberi sõltuvusel tgδ temperatuurist kaks maksimumi: esimest täheldatakse negatiivsetel temperatuuridel ja see iseloomustab kiudude kadu, teine ​​maksimum kõrgendatud temperatuuridel on tingitud ühendi dipooli kadumisest. Temperatuuri tõustes polaarsetes dielektrikutes suurenevad elektrijuhtivusega seotud kaod.