O que é perda dielétrica e o que a causa

As perdas dielétricas são a energia dissipada por unidade de tempo em um dielétrico quando um campo elétrico é aplicado a ele e faz com que o dielétrico aqueça. Em tensão constante, as perdas de energia são determinadas apenas pela força da corrente de passagem devido ao volume e à condução de superfície. Em tensão alternada, essas perdas se somam às perdas por diferentes tipos de polarizações, bem como a presença de impurezas semicondutoras, óxidos de ferro, carbono, inclusões de gases, etc.

Considerando o dielétrico mais simples, podemos escrever a expressão para a potência dissipada nele sob a influência de uma tensão alternada:

Pa = U·I,

onde U é a tensão aplicada ao dielétrico, Aza é o componente ativo da corrente que flui através do dielétrico.

O circuito equivalente dielétrico é geralmente apresentado na forma de um capacitor e uma resistência ativa conectados em série. A partir do diagrama vetorial (ver Fig. 1):

Aza = Circuito integrado·tgδ,

onde δ — o ângulo entre o vetor da corrente total I e ​​seu componente capacitivo Circuito integrado.

Portanto

Pa = U·Circuito integrado·tgδ,

mas a atual

Circuito integrado = UΩ C,

onde é a capacitância de um capacitor (dado dielétrico) na frequência angular ω.

Como resultado, a potência dissipada no dielétrico é

Pa = U2Ω C·tgδ,

ou seja as perdas de energia dissipadas no dielétrico são proporcionais à tangente do ângulo δ que é chamado ângulo de perda dielétrica ou simplesmente o ângulo de perda. Este ângulo δ k caracteriza a qualidade do dielétrico. Quanto menor o ângulo di perdas elétricas δ, maiores as propriedades dielétricas do material isolante.

Arroz. 1. Diagrama vetorial de correntes em um dielétrico sob tensão alternada.

Introdução do conceito de ângulo δ É conveniente para a prática, pois em vez do valor absoluto das perdas dielétricas, é levado em consideração um valor relativo, que permite comparar produtos isolantes com dielétricos de qualidade diferente.

Perdas dielétricas em gases

As perdas dielétricas em gases são pequenas. Os gases têm condutividade elétrica muito baixa… A orientação das moléculas de gás dipolo durante sua polarização não é acompanhada por perdas dielétricas. A adição tgδ=e(U) é chamada de curva de ionização (Fig. 2).

Arroz. 2. Mudança em tgδ em função da tensão para isolamento com inclusões de ar

Um aumento de tgδ com o aumento da tensão pode avaliar a presença de inclusões de gás no isolamento sólido. Com ionização significativa e perdas no gás, pode ocorrer aquecimento e quebra do isolamento.Portanto, o isolamento dos enrolamentos das máquinas elétricas de alta tensão para remover as inclusões de gás durante a produção é submetido a um tratamento especial - secagem a vácuo, preenchimento dos poros do isolamento com um composto aquecido sob pressão e laminação para prensagem.

A ionização das inclusões de ar é acompanhada pela formação de ozônio e óxidos de nitrogênio, que têm um efeito destrutivo no isolamento orgânico. A ionização do ar em campos irregulares, por exemplo, em linhas de energia, é acompanhada pelo efeito da luz visível (corona) e perdas significativas, o que reduz a eficiência da transmissão.

Perdas dielétricas em dielétricos líquidos

As perdas dielétricas em líquidos dependem de sua composição. Em líquidos neutros (apolares) sem impurezas, a condutividade elétrica é muito baixa, portanto as perdas dielétricas também são pequenas neles. Por exemplo, o óleo refinado do condensador tem um tgδ

Em tecnologia, líquidos polares (Sovol, óleo de mamona, etc.) ou misturas de líquidos neutros e dipolares (óleo de transformador, compostos, etc.), nos quais as perdas dielétricas são significativamente maiores do que as dos líquidos neutros. Por exemplo, o tgδ do óleo de rícino a uma frequência de 106 Hz e uma temperatura de 20°C (293 K) é 0,01.

A perda dielétrica de líquidos polares depende da viscosidade. Essas perdas são chamadas de perdas dipolo porque são devidas à polarização do dipolo.

Em baixa viscosidade, as moléculas são orientadas sob a ação de um campo sem atrito, as perdas dipolo neste caso são pequenas e as perdas dielétricas totais são devidas apenas à condutividade elétrica. As perdas de dipolo aumentam com o aumento da viscosidade.A uma certa viscosidade, as perdas são máximas.

Isso é explicado pelo fato de que em viscosidade suficientemente alta as moléculas não têm tempo para acompanhar a mudança no campo e a polarização do dipolo praticamente desaparece. Neste caso, as perdas dielétricas são pequenas. À medida que a frequência aumenta, a perda máxima se desloca para uma região de temperatura mais alta.

A dependência das perdas com a temperatura é complexa: tgδ aumenta com o aumento da temperatura, atinge seu máximo, depois diminui ao mínimo e depois aumenta novamente, isso é explicado pelo aumento da condutividade elétrica. As perdas de dipolo aumentam com frequência crescente até que a polarização tenha tempo de acompanhar a mudança no campo, após o que as moléculas de dipolo não têm mais tempo de se orientar totalmente na direção do campo e as perdas se tornam constantes.

Em fluidos de baixa viscosidade, as perdas de condução predominam em baixas frequências e as perdas de dipolo são insignificantes; pelo contrário, em frequências de rádio as perdas de dipolo são altas. Portanto, dielétricos dipolo não são usados ​​em campos de alta frequência.

Perdas dielétricas em dielétricos sólidos

As perdas dielétricas em dielétricos sólidos dependem da estrutura (cristalina ou amorfa), da composição (orgânica ou inorgânica) e da natureza da polarização. Em dielétricos neutros sólidos como enxofre, parafina, poliestireno, que possuem apenas polarização eletrônica, não há perdas dielétricas. As perdas só podem ser devidas a impurezas. Portanto, esses materiais são usados ​​como dielétricos de alta frequência.

Materiais inorgânicos, como monocristais de sal-gema, silvita, quartzo e mica pura, possuindo polarização eletrônica e iônica, apresentam baixas perdas dielétricas devido apenas à condutividade elétrica. As perdas dielétricas nesses cristais não dependem da frequência e tgδ diminui com o aumento da frequência. À medida que a temperatura aumenta, as perdas e tgft mudam da mesma forma que a condutividade elétrica, aumentando de acordo com a lei de uma função exponencial.

Em vidros de diferentes composições, por exemplo, cerâmicas com alto teor de fase vítrea, observam-se perdas por condutividade elétrica. Essas perdas são causadas pelo movimento de íons fracamente ligados; eles geralmente ocorrem em temperaturas acima de 50 — 100°C (323 — 373 K). Estas perdas aumentam significativamente com a temperatura de acordo com a lei de uma função exponencial e dependem pouco da frequência (tgδ diminui com o aumento da frequência).

Em dielétricos policristalinos inorgânicos (mármore, cerâmica, etc.), ocorrem perdas dielétricas adicionais devido à presença de impurezas semicondutoras: umidade, óxidos de ferro, carbono, gás, etc. o mesmo material, porque as propriedades do material mudam sob a influência das condições ambientais.

As perdas dielétricas em dielétricos polares orgânicos (madeira, éteres de celulose, solução natural, resinas sintéticas) são devidas à polarização estrutural devido ao empacotamento de partículas soltas. Essas perdas dependem da temperatura ter um máximo em uma certa temperatura, bem como da frequência aumentar com seu crescimento. Portanto, esses dielétricos não são usados ​​em campos de alta frequência.

Caracteristicamente, a dependência tgδ da temperatura para papéis impregnados com o composto tem dois máximos: o primeiro é observado em temperaturas negativas e caracteriza a perda de fibras, o segundo máximo em temperaturas elevadas é devido à perda do dipolo do composto. À medida que a temperatura aumenta em dielétricos polares, as perdas associadas à condutividade elétrica aumentam.