Cos'è la perdita dielettrica e cosa la causa

Le perdite dielettriche sono l'energia dissipata per unità di tempo in un dielettrico quando gli viene applicato un campo elettrico che provoca il riscaldamento del dielettrico. A tensione costante, le perdite di energia sono determinate solo dall'intensità della corrente passante dovuta alla conduzione volumetrica e superficiale. A tensione alternata, queste perdite si aggiungono alle perdite dovute a diversi tipi di polarizzazioni, nonché alla presenza di impurità nei semiconduttori, ossidi di ferro, carbonio, inclusioni di gas, ecc.

Considerando il dielettrico più semplice, possiamo scrivere l'espressione per la potenza dissipata in esso sotto l'influenza di una tensione alternata:

Pa = U·I,

dove U è la tensione applicata al dielettrico, Aza è la componente attiva della corrente che scorre attraverso il dielettrico.

Il circuito equivalente dielettrico è solitamente presentato sotto forma di un condensatore e una resistenza attiva collegati in serie. Dal diagramma vettoriale (vedi Fig. 1):

Aza = Circuito integrato·tgδ,

dove δ — l'angolo tra il vettore della corrente totale I e il suo componente capacitivo Circuito integrato.

Perciò

Pa = U·Circuito integrato·tgδ,

ma la corrente

Circuito integrato = UΩ C,

dove è la capacità di un condensatore (dato dielettrico) alla frequenza angolare ω.

Di conseguenza, la potenza dissipata nel dielettrico è

Pa = U2Ω C·tgδ,

cioè. le perdite di energia dissipate nel dielettrico sono proporzionali alla tangente dell'angolo δ che si chiama angolo di perdita dielettrica o semplicemente l'angolo di perdita. Questo angolo δ k caratterizza la qualità del dielettrico. Minore è l'angolo di perdite elettriche δ, maggiori sono le proprietà dielettriche del materiale isolante.

Riso. 1. Diagramma vettoriale delle correnti in un dielettrico sotto tensione alternata.

Introduzione del concetto di angolo δ È conveniente per la pratica, perché invece del valore assoluto delle perdite dielettriche, viene preso in considerazione un valore relativo, che consente di confrontare i prodotti isolanti con dielettrici di diversa qualità.

Perdite dielettriche nei gas

Le perdite dielettriche nei gas sono piccole. I gas hanno conduttività elettrica molto bassa… L'orientamento delle molecole di gas dipolo durante la loro polarizzazione non è accompagnato da perdite dielettriche. L'addizione tgδ=e(U) è detta curva di ionizzazione (Fig. 2).

Riso. 2. Variazione di tgδ in funzione della tensione per isolamento con inclusioni d'aria

Un tgδ in aumento all'aumentare della tensione può valutare la presenza di inclusioni di gas nell'isolante solido. Con ionizzazione e perdite significative nel gas, possono verificarsi riscaldamento e rottura dell'isolamento.Pertanto, l'isolamento degli avvolgimenti delle macchine elettriche ad alta tensione per rimuovere le inclusioni di gas durante la produzione viene sottoposto a un trattamento speciale: essiccazione sotto vuoto, riempimento dei pori dell'isolamento con un composto riscaldato sotto pressione e laminazione per la pressatura.

La ionizzazione delle inclusioni d'aria è accompagnata dalla formazione di ozono e ossidi di azoto, che hanno un effetto distruttivo sull'isolamento organico. La ionizzazione dell'aria in campi irregolari, ad esempio nelle linee elettriche, è accompagnata dall'effetto della luce visibile (corona) e da perdite significative, che riducono l'efficienza di trasmissione.

Perdite dielettriche nei dielettrici liquidi

Le perdite dielettriche nei liquidi dipendono dalla loro composizione. Nei liquidi neutri (non polari) senza impurità, la conduttività elettrica è molto bassa, quindi anche le perdite dielettriche sono piccole. Ad esempio, l'olio di condensazione raffinato ha un tgδ

Nella tecnologia, liquidi polari (Sovol, olio di ricino, ecc.) o miscele di liquidi neutri e dipolari (olio per trasformatori, composti, ecc.), in cui le perdite dielettriche sono significativamente superiori a quelle dei liquidi neutri. Ad esempio, la tgδ dell'olio di ricino a una frequenza di 106 Hz e una temperatura di 20°C (293 K) è 0,01.

La perdita dielettrica dei liquidi polari dipende dalla viscosità. Queste perdite sono chiamate perdite di dipolo perché sono dovute alla polarizzazione del dipolo.

A bassa viscosità, le molecole sono orientate sotto l'azione di un campo privo di attrito, le perdite di dipolo in questo caso sono piccole e le perdite dielettriche totali sono dovute solo alla conducibilità elettrica. Le perdite di dipolo aumentano con l'aumentare della viscosità.A una certa viscosità, le perdite sono massime.

Ciò si spiega con il fatto che a viscosità sufficientemente elevate le molecole non hanno il tempo di seguire il cambiamento del campo e la polarizzazione del dipolo praticamente scompare. In questo caso, le perdite dielettriche sono piccole. All'aumentare della frequenza, la perdita massima si sposta in una regione di temperatura più elevata.

La dipendenza dalla temperatura delle perdite è complessa: tgδ aumenta con l'aumentare della temperatura, raggiunge il suo massimo, quindi diminuisce al minimo, quindi aumenta di nuovo, questo è spiegato da un aumento della conduttività elettrica. Le perdite di dipolo aumentano con l'aumentare della frequenza fino a quando la polarizzazione ha il tempo di seguire il cambiamento del campo, dopodiché le molecole di dipolo non hanno più il tempo di orientarsi completamente nella direzione del campo e le perdite diventano costanti.

Nei fluidi a bassa viscosità, le perdite di conduzione predominano alle basse frequenze e le perdite di dipolo sono trascurabili; al contrario, alle radiofrequenze le perdite di dipolo sono elevate. Pertanto, i dielettrici a dipolo non vengono utilizzati nei campi ad alta frequenza.

Perdite dielettriche nei dielettrici solidi

Le perdite dielettriche nei dielettrici solidi dipendono dalla struttura (cristallina o amorfa), dalla composizione (organica o inorganica) e dalla natura della polarizzazione. In tali dielettrici neutri solidi come zolfo, paraffina, polistirene, che hanno solo polarizzazione elettronica, non ci sono perdite dielettriche. Le perdite possono essere dovute solo a impurità. Pertanto, tali materiali vengono utilizzati come dielettrici ad alta frequenza.

I materiali inorganici, come i singoli cristalli di salgemma, silvite, quarzo e mica pura, che possiedono polarizzazione elettronica e ionica, hanno basse perdite dielettriche dovute alla sola conducibilità elettrica. Le perdite dielettriche in questi cristalli non dipendono dalla frequenza e tgδ diminuisce con l'aumentare della frequenza. All'aumentare della temperatura, le perdite e il tgft cambiano allo stesso modo della conducibilità elettrica, aumentando secondo la legge di una funzione esponenziale.

In vetri di diversa composizione, ad esempio ceramiche ad alto contenuto di fase vetrosa, si osservano perdite dovute alla conducibilità elettrica. Queste perdite sono causate dal movimento di ioni debolmente legati; di solito si verificano a temperature superiori a 50 - 100°C (323 - 373 K). Queste perdite aumentano significativamente con la temperatura secondo la legge di una funzione esponenziale e dipendono poco dalla frequenza (tgδ diminuisce con l'aumentare della frequenza).

Nei dielettrici policristallini inorganici (marmo, ceramica, ecc.), si verificano ulteriori perdite dielettriche dovute alla presenza di impurità nei semiconduttori: umidità, ossidi di ferro, carbonio, gas, ecc. lo stesso materiale, perché le proprietà del materiale cambiano sotto l'influenza delle condizioni ambientali.

Le perdite dielettriche nei dielettrici polari organici (legno, eteri di cellulosa, soluzione naturale, resine sintetiche) sono dovute alla polarizzazione strutturale dovuta all'impaccamento di particelle libere. Queste perdite dipendono dalla temperatura che ha un massimo a una certa temperatura e dalla frequenza che aumenta con la sua crescita. Pertanto, questi dielettrici non vengono utilizzati nei campi ad alta frequenza.

Tipicamente, la dipendenza tgδ dalla temperatura per la carta impregnata con il compound ha due massimi: il primo si osserva a temperature negative e caratterizza la perdita di fibre, il secondo massimo a temperature elevate è dovuto alla perdita del dipolo del compound. All'aumentare della temperatura nei dielettrici polari, aumentano le perdite associate alla conduttività elettrica.