Шта је диелектрични губитак и шта га узрокује
Диелектрични губици су енергија која се расипа у јединици времена у диелектрику када се на њега примени електрично поље и узрокује загревање диелектрика. При константном напону губици енергије су одређени само јачином пролазне струје услед запреминске и површинске проводљивости. На наизменичном напону ови губици се додају губицима због различитих врста поларизација, као и присуства полупроводничких примеса, оксида гвожђа, угљеника, гасних инклузија итд.
Узимајући у обзир најједноставнији диелектрик, можемо написати израз за снагу која се у њему распршује под утицајем наизменичног напона:
Па = У·И,
где је У напон примењен на диелектрик, Аза је активна компонента струје која тече кроз диелектрик.
Диелектрично еквивалентно коло је обично представљено у облику кондензатора и активног отпора повезаних у серију. Из векторског дијаграма (види слику 1):
Аза = интегрисано коло·тгδ,
где је δ — угао између вектора укупне струје И и његове капацитивне компоненте Интегрисано коло.
Стога
Па = У·Интегрисано коло·тгδ,
али струја
Интегрисано коло = УΩ Ц,
где је капацитивност кондензатора (датог диелектрика) при угаоној фреквенцији ω.
Као резултат, снага расипана у диелектрику је
Па = У2Ω Ц·тгδ,
тј. губици енергије који се расипају у диелектрику пропорционални су тангенту угла δ који се назива угао диелектричних губитака или једноставно угао губитка. Овај угао δ к карактерише квалитет диелектрика. Што је мањи угао ди електричних губитака δ, то су веће диелектричне особине изолационог материјала.
Пиринач. 1. Векторски дијаграм струја у диелектрику под наизменичним напоном.
Увођење концепта угла δ Погодно је за праксу, јер се уместо апсолутне вредности диелектричних губитака узима у обзир релативна вредност, што омогућава упоређивање изолационих производа са диелектрицима различитог квалитета.
Диелектрични губици у гасовима
Диелектрични губици у гасовима су мали. Гасови имају веома ниска електрична проводљивост… Оријентација диполних молекула гаса током њихове поларизације није праћена диелектричним губицима. Сабирање тгδ=е(У) назива се јонизациона крива (слика 2).
Пиринач. 2. Промена тгδ у функцији напона за изолацију са укључцима ваздуха
Растући тгδ са повећањем напона може проценити присуство гасних инклузија у чврстој изолацији. Са значајном јонизацијом и губицима у гасу може доћи до загревања и квара изолације.Због тога се изолација намотаја високонапонских електричних машина за уклањање гасних инклузија током производње подвргава посебном третману — сушењу под вакуумом, попуњавању пора изолације загрејаним једињењем под притиском и ваљању за пресовање.
Јонизација ваздушних инклузија праћена је формирањем озона и азотних оксида, који имају деструктивни ефекат на органску изолацију. Јонизација ваздуха у неравним пољима, на пример, у далеководима, праћена је дејством видљиве светлости (корона) и значајним губицима, што смањује ефикасност преноса.
Диелектрични губици у течним диелектрицима
Диелектрични губици у течностима зависе од њиховог састава. У неутралним (неполарним) течностима без нечистоћа електрична проводљивост је веома мала, па су и диелектрични губици у њима мали. На пример, рафинисано кондензаторско уље има тгδ
У технологији, поларне течности (Совол, рицинусово уље, итд.) или мешавине неутралних и диполарних течности (трансформаторско уље, једињења, итд.), у којима су диелектрични губици знатно већи од губитака неутралних течности. На пример, тгδ рицинусовог уља на фреквенцији од 106 Хз и температури од 20°Ц (293 К) је 0,01.
Диелектрични губитак поларних течности зависи од вискозитета. Ови губици се називају диполни губици јер су последица диполне поларизације.
При малој вискозности, молекули су оријентисани под дејством поља без трења, диполни губици у овом случају су мали, а укупни диелектрични губици настају само због електричне проводљивости. Губици дипола расту са повећањем вискозитета.При одређеној вискозности губици су максимални.
Ово се објашњава чињеницом да при довољно високој вискозности молекули немају времена да прате промену поља и диполна поларизација практично нестаје. У овом случају, диелектрични губици су мали. Како се фреквенција повећава, максимални губитак се помера у регион више температуре.
Температурна зависност губитака је сложена: тгδ расте са повећањем температуре, достиже свој максимум, затим се смањује на минимум, па поново расте, што се објашњава повећањем електричне проводљивости. Губици дипола расту са повећањем фреквенције све док поларизација нема времена да прати промену поља, након чега молекули дипола више немају времена да се потпуно оријентишу у правцу поља и губици постају константни.
У течностима ниског вискозитета, губици проводљивости преовлађују на ниским фреквенцијама, а диполни губици су занемарљиви; напротив, на радио-фреквенцијама су диполни губици велики. Због тога се диполни диелектрици не користе у пољима високе фреквенције.
Диелектрични губици у чврстим диелектрицима
Диелектрични губици у чврстим диелектрицима зависе од структуре (кристална или аморфна), састава (органска или неорганска) и природе поларизације. У таквим чврстим неутралним диелектрицима као што су сумпор, парафин, полистирен, који имају само електронску поларизацију, нема диелектричних губитака. Губици могу бити само због нечистоћа. Због тога се такви материјали користе као високофреквентни диелектрици.
Неоргански материјали, као што су монокристали камене соли, силвита, кварца и чистог лискуна, који поседују електронску и јонску поларизацију, имају мале диелектричне губитке само због електричне проводљивости. Диелектрични губици у овим кристалима не зависе од фреквенције, а тгδ опада са повећањем фреквенције. Како температура расте, губици и тгфт се мењају на исти начин као и електрична проводљивост, повећавајући се према закону експоненцијалне функције.
У чашама различитог састава, на пример, керамике са високим садржајем стакласте фазе, примећују се губици због електричне проводљивости. Ови губици су узроковани кретањем слабо везаних јона; обично се јављају на температурама изнад 50 — 100°Ц (323 — 373 К). Ови губици значајно расту са температуром према закону експоненцијалне функције и мало зависе од фреквенције (тгδ опада са повећањем фреквенције).
У неорганским поликристалним диелектрицима (мермер, керамика итд.), додатни диелектрични губици настају услед присуства полупроводничких примеса: влаге, оксида гвожђа, угљеника, гаса итд. истог материјала, јер се својства материјала мењају под утицајем услова средине.
Диелектрични губици у органским поларним диелектрицима (дрво, етри целулозе, природни раствори, синтетичке смоле) настају због структурне поларизације услед лабавог паковања честица. Ови губици зависе од температуре која има максимум на одређеној температури као и од фреквенције која расте са њеним растом. Због тога се ови диелектрици не користе у високофреквентним пољима.
Карактеристично је да зависност тгδ од температуре за папир импрегниран једињењем има два максимума: први се примећује на негативним температурама и карактерише губитак влакана, други максимум на повишеним температурама је због губитка дипола једињења. Како температура расте у поларним диелектрицима, губици повезани са електричном проводљивошћу се повећавају.