מהו אובדן דיאלקטרי ומה גורם לו

הפסדים דיאלקטריים הם האנרגיה המתפזרת ליחידת זמן בדיאלקטרי כאשר מופעל עליו שדה חשמלי וגורם להתחממות הדיאלקטרי. במתח קבוע, הפסדי אנרגיה נקבעים רק על פי עוצמת הזרם המעבר עקב נפח והולכה פני השטח. במתח חילופין, הפסדים אלו מתווספים להפסדים עקב סוגים שונים של קיטובים, כמו גם נוכחות של זיהומים מוליכים למחצה, תחמוצות ברזל, תכלילים של פחמן, גז וכו'.

בהתחשב בדיאלקטרי הפשוט ביותר, נוכל לכתוב את הביטוי להספק המתפזר בו בהשפעת מתח חילופין:

Pa = U·I,

כאשר U הוא המתח המופעל על הדיאלקטרי, Aza הוא המרכיב הפעיל של הזרם הזורם דרך הדיאלקטרי.

המעגל המקביל הדיאלקטרי מוצג בדרך כלל בצורה של קבל והתנגדות אקטיבית המחוברים בסדרה. מהדיאגרמת הווקטורית (ראה איור 1):

Aza = מעגל משולב·tgδ,

כאשר δ - הזווית בין הווקטור של הזרם הכולל I לרכיב הקיבולי שלו מעגל משולב.

לָכֵן

Pa = U·מעגל משולב·tgδ,

אלא הזרם

מעגל משולב = UΩ C,

איפה הקיבול של קבל (בהינתן דיאלקטרי) בתדר זוויתי ω.

כתוצאה מכך, ההספק המתפזר בדיאלקטרי הוא

Pa = U2Ω C·tgδ,

כְּלוֹמַר הפסדי האנרגיה המתפזרים בדיאלקטרי הם פרופורציונליים לטנגנס של הזווית δ הנקראת זווית אובדן דיאלקטרי או פשוט זווית האובדן. זווית זו δ k מאפיינת את איכות הדיאלקטרי. ככל שזווית ההפסדים החשמליים δ קטנה יותר, כך התכונות הדיאלקטריות של חומר הבידוד גבוהות יותר.

אורז. 1. דיאגרמת וקטור של זרמים בדיאלקטרי במתח חילופין.

הצגת מושג הזווית δ זה נוח לתרגול, מכיוון שבמקום הערך המוחלט של הפסדים דיאלקטריים, נלקח בחשבון ערך יחסי, המאפשר להשוות בין מוצרי בידוד לבין דיאלקטריות באיכות שונה.

הפסדים דיאלקטריים בגזים

הפסדים דיאלקטריים בגזים קטנים. לגזים יש מוליכות חשמלית נמוכה מאוד... הכיוון של מולקולות גז דיפול במהלך הקיטוב שלהן אינו מלווה בהפסדים דיאלקטריים. הוספה tgδ=e(U) נקראת עקומת היינון (איור 2).

אורז. 2. שינוי ב-tgδ כפונקציה של מתח לבידוד עם תכלילי אוויר

tgδ עולה עם מתח עולה יכול להעריך את נוכחותם של תכלילי גז בבידוד המוצק. עם יינון משמעותי והפסדים בגז, עלול להתרחש חימום ופירוק של הבידוד.לכן, בידוד הפיתולים של מכונות חשמליות במתח גבוה להסרת תכלילי גז במהלך הייצור נתון לטיפול מיוחד - ייבוש תחת ואקום, מילוי נקבוביות הבידוד בתרכובת מחוממת בלחץ וגלגול ללחיצה.

יינון של תכלילי אוויר מלווה ביצירת תחמוצות אוזון ותחמוצות חנקן, להן השפעה הרסנית על הבידוד האורגני. יינון אוויר בשדות לא אחידים, למשל בקווי חשמל, מלווה בהשפעת האור הנראה (קורונה) ובהפסדים משמעותיים, המפחיתים את יעילות ההולכה.

הפסדים דיאלקטריים בדיאלקטריים נוזליים

הפסדים דיאלקטריים בנוזלים תלויים בהרכבם. בנוזלים ניטרליים (לא קוטביים) ללא זיהומים, המוליכות החשמלית נמוכה מאוד, ולכן גם הפסדים דיאלקטריים קטנים בהם. לדוגמה, לשמן מעבה מזוקק יש tgδ

בטכנולוגיה, נוזלים קוטביים (סובול, שמן קיק וכו') או תערובות של נוזלים ניטרליים ודו-קוטביים (שמן שנאי, תרכובות וכו'), שבהן הפסדים דיאלקטריים גבוהים משמעותית מאלה של נוזלים ניטרליים. לדוגמה, tgδ של שמן קיק בתדר של 106 הרץ וטמפרטורה של 20°C (293 K) הוא 0.01.

אובדן דיאלקטרי של נוזלים קוטביים תלוי בצמיגות. הפסדים אלו נקראים הפסדי דיפול מכיוון שהם נובעים מקיטוב דיפול.

בצמיגות נמוכה, המולקולות מכוונות תחת פעולת שדה נטול חיכוך, הפסדי הדיפול במקרה זה קטנים, וההפסדים הדיאלקטריים הכוללים נובעים רק ממוליכות חשמלית. הפסדי דיפול גדלים עם הגדלת הצמיגות.בצמיגות מסוימת, ההפסדים הם מקסימליים.

זה מוסבר על ידי העובדה שבצמיגות גבוהה מספיק למולקולות אין זמן לעקוב אחר השינוי בשדה והקיטוב הדיפול נעלם למעשה. במקרה זה, ההפסדים הדיאלקטריים קטנים. ככל שהתדירות עולה, ההפסד המרבי עובר לאזור טמפרטורה גבוה יותר.

תלות הטמפרטורה של הפסדים מורכבת: tgδ עולה עם עליית הטמפרטורה, מגיע למקסימום, ואז פוחת למינימום, ואז עולה שוב, זה מוסבר על ידי עלייה במוליכות החשמלית. הפסדי דיפול גדלים בתדירות הולכת וגוברת עד שהקיטוב יספיק לעקוב אחר השינוי בשדה, ולאחר מכן למולקולות הדיפול כבר אין זמן להתמצא במלואו בכיוון השדה וההפסדים הופכים קבועים.

בנוזלים בעלי צמיגות נמוכה, הפסדי הולכה שולטים בתדרים נמוכים, והפסדי דיפול זניחים; להיפך, בתדרי רדיו הפסדי דיפול גבוהים. לכן, דיאלקטריות דיפול אינן משמשות בשדות בתדר גבוה.

הפסדים דיאלקטריים בדיאלקטריים מוצקים

הפסדים דיאלקטריים בדיאלקטריים מוצקים תלויים במבנה (גבישי או אמורפי), בהרכב (אורגני או אנאורגני) ובאופי הקיטוב. בדיאלקטריים ניטרליים מוצקים כמו גופרית, פרפין, פוליסטירן, שיש להם רק קיטוב אלקטרוני, אין הפסדים דיאלקטריים. הפסדים יכולים להיות רק בגלל זיהומים. לכן, חומרים כאלה משמשים כדיאלקטריים בתדר גבוה.

לחומרים אנאורגניים, כגון גבישים בודדים של מלח סלע, ​​סילביט, קוורץ ונציץ טהור, בעלי קיטוב אלקטרוני ויוני, יש הפסדים דיאלקטריים נמוכים עקב מוליכות חשמלית בלבד. הפסדים דיאלקטריים בגבישים אלה אינם תלויים בתדירות, ו-tgδ יורד עם הגדלת התדר. ככל שהטמפרטורה עולה, ההפסדים וה-tgft משתנים באותו אופן כמו המוליכות החשמלית, גדלים לפי חוק הפונקציה האקספוננציאלית.

בכוסות בהרכב שונה, למשל, קרמיקה עם תכולה גבוהה של שלב הזגוגית, נצפים הפסדים עקב מוליכות חשמלית. הפסדים אלה נגרמים על ידי תנועה של יונים הקשורים בחולשה; הם מתרחשים בדרך כלל בטמפרטורות מעל 50 - 100 מעלות צלזיוס (323 - 373 K). הפסדים אלו גדלים באופן משמעותי עם הטמפרטורה לפי חוק הפונקציה המעריכית ותלויים מעט בתדירות (tgδ יורד עם התדירות הגוברת).

בדיאלקטריים פול-גבישיים אנאורגניים (שיש, קרמיקה וכו'), מתרחשים הפסדים דיאלקטריים נוספים עקב נוכחותם של זיהומים מוליכים למחצה: לחות, תחמוצות ברזל, פחמן, גז וכו'. אותו חומר, כי תכונות החומר משתנות בהשפעת תנאי הסביבה.

הפסדים דיאלקטריים בדיאלקטרי קוטבי אורגניים (עץ, אתרים תאית, תמיסה טבעית, שרפים סינתטיים) נובעים מקיטוב מבני עקב אריזת חלקיקים רופפת. הפסדים אלו תלויים בכך שהטמפרטורה תהיה מקסימלית בטמפרטורה מסוימת וכן בתדירות הגדלה עם גדילתה. לכן, דיאלקטריים אלה אינם משמשים בשדות בתדר גבוה.

באופן אופייני, התלות tgδ בטמפרטורה עבור נייר ספוג בתרכובת היא בעלת שני מקסימום: הראשון נצפה בטמפרטורות שליליות ומאפיין את אובדן הסיבים, המקסימום השני בטמפרטורות גבוהות נובע מאובדן הדיפול של התרכובת. ככל שהטמפרטורה עולה בדיאלקטריים קוטביים, ההפסדים הקשורים למוליכות חשמלית גדלים.