Apa itu kerugian dielektrik dan apa penyebabnya
Kerugian dielektrik adalah energi yang hilang per satuan waktu dalam dielektrik ketika medan listrik diterapkan padanya dan menyebabkan dielektrik memanas. Pada tegangan konstan, kehilangan energi hanya ditentukan oleh kekuatan arus yang melalui karena volume dan konduksi permukaan. Pada tegangan bolak-balik, kerugian ini ditambahkan ke kerugian karena berbagai jenis polarisasi, serta adanya pengotor semikonduktor, oksida besi, karbon, inklusi gas, dll.
Mempertimbangkan dielektrik paling sederhana, kita dapat menulis ekspresi untuk daya yang hilang di dalamnya di bawah pengaruh tegangan bolak-balik:
Pa = U·I,
di mana U adalah tegangan yang diterapkan pada dielektrik, Aza adalah komponen aktif dari arus yang mengalir melalui dielektrik.
Rangkaian ekuivalen dielektrik biasanya disajikan dalam bentuk kapasitor dan resistansi aktif yang dihubungkan secara seri. Dari diagram vektor (lihat Gambar 1):
Aza = Sirkuit terpadu·tgδ,
dimana δ — sudut antara vektor arus total I dan sirkuit terpadu komponen kapasitifnya.
Karena itu
Pa = U·Sirkuit terpadu·tgδ,
tapi arus
Sirkuit terpadu = UΩ C,
di mana kapasitansi kapasitor (diberikan dielektrik) pada frekuensi sudut ω.
Akibatnya, daya yang hilang dalam dielektrik adalah
Pa = U2Ω C·tgδ,
yaitu kehilangan energi yang hilang dalam dielektrik sebanding dengan garis singgung sudut δ yang disebut sudut kehilangan dielektrik atau hanya sudut kerugian. Sudut δ k ini mencirikan kualitas dielektrik. Semakin kecil sudut di rugi-rugi listrik δ, semakin tinggi sifat dielektrik bahan isolasi.
Beras. 1. Diagram vektor arus dalam dielektrik di bawah tegangan bolak-balik.
Pengenalan konsep sudut δ Nyaman untuk praktik, karena alih-alih nilai absolut kerugian dielektrik, nilai relatif diperhitungkan, yang memungkinkan untuk membandingkan produk insulasi dengan dielektrik dengan kualitas berbeda.
Kerugian dielektrik dalam gas
Kerugian dielektrik dalam gas kecil. Gas punya konduktivitas listrik yang sangat rendah… Orientasi molekul gas dipol selama polarisasi tidak disertai dengan kerugian dielektrik. Penjumlahan tgδ=e(U) disebut kurva ionisasi (Gbr. 2).
Beras. 2. Perubahan tgδ sebagai fungsi tegangan untuk insulasi dengan inklusi udara
Tgδ yang naik dengan tegangan yang meningkat dapat menilai keberadaan inklusi gas dalam isolasi padat. Dengan ionisasi yang signifikan dan kehilangan gas, pemanasan dan kerusakan isolasi dapat terjadi.Oleh karena itu, isolasi belitan mesin listrik bertegangan tinggi untuk menghilangkan inklusi gas selama produksi dikenai perlakuan khusus - pengeringan di bawah vakum, mengisi pori-pori isolasi dengan senyawa yang dipanaskan di bawah tekanan dan penggulungan untuk pengepresan.
Ionisasi inklusi udara disertai dengan pembentukan ozon dan nitrogen oksida, yang memiliki efek merusak pada isolasi organik. Ionisasi udara di bidang yang tidak rata, misalnya di saluran listrik, disertai dengan efek cahaya tampak (korona) dan kerugian yang signifikan, yang mengurangi efisiensi transmisi.
Kerugian dielektrik dalam dielektrik cair
Kerugian dielektrik dalam cairan tergantung pada komposisinya. Dalam cairan netral (non-polar) tanpa pengotor, konduktivitas listriknya sangat rendah, oleh karena itu kerugian dielektriknya juga kecil. Misalnya, minyak kondensor olahan memiliki tgδ
Dalam teknologi, cairan polar (Sovol, minyak jarak, dll.) Atau campuran cairan netral dan dipolar (minyak transformator, senyawa, dll.), di mana kerugian dielektrik secara signifikan lebih tinggi daripada cairan netral. Misalnya, tgδ minyak jarak pada frekuensi 106 Hz dan suhu 20°C (293 K) adalah 0,01.
Kerugian dielektrik cairan polar tergantung pada viskositas. Kerugian ini disebut kerugian dipol karena disebabkan oleh polarisasi dipol.
Pada viskositas rendah, molekul berorientasi di bawah aksi medan tanpa gesekan, kerugian dipol dalam hal ini kecil, dan total kerugian dielektrik hanya disebabkan oleh konduktivitas listrik. Kerugian dipol meningkat dengan meningkatnya viskositas.Pada viskositas tertentu, kerugian maksimum.
Ini dijelaskan oleh fakta bahwa pada viskositas yang cukup tinggi, molekul tidak memiliki waktu untuk mengikuti perubahan medan dan polarisasi dipol praktis menghilang. Dalam hal ini, kerugian dielektrik kecil. Dengan meningkatnya frekuensi, kerugian maksimum bergeser ke wilayah suhu yang lebih tinggi.
Ketergantungan suhu dari kerugian itu kompleks: tgδ meningkat dengan meningkatnya suhu, mencapai maksimumnya, kemudian menurun hingga minimum, kemudian meningkat lagi, hal ini disebabkan oleh peningkatan konduktivitas listrik. Kerugian dipol meningkat dengan meningkatnya frekuensi sampai polarisasi memiliki waktu untuk mengikuti perubahan medan, setelah molekul dipol tidak lagi memiliki waktu untuk sepenuhnya mengarahkan diri ke arah medan dan kerugian menjadi konstan.
Dalam cairan dengan viskositas rendah, kehilangan konduksi mendominasi pada frekuensi rendah, dan kehilangan dipol dapat diabaikan; sebaliknya, pada frekuensi radio kerugian dipol tinggi. Oleh karena itu, dielektrik dipol tidak digunakan dalam bidang frekuensi tinggi.
Kerugian dielektrik dalam dielektrik padat
Kerugian dielektrik dalam dielektrik padat tergantung pada struktur (kristal atau amorf), komposisi (organik atau anorganik) dan sifat polarisasi. Dalam dielektrik netral padat seperti belerang, parafin, polistiren, yang hanya memiliki polarisasi elektronik, tidak ada kerugian dielektrik. Kerugian hanya bisa disebabkan oleh kotoran. Oleh karena itu, bahan tersebut digunakan sebagai dielektrik frekuensi tinggi.
Bahan anorganik, seperti kristal tunggal garam batu, silvit, kuarsa, dan mika murni, yang memiliki polarisasi elektronik dan ionik, memiliki kerugian dielektrik yang rendah karena konduktivitas listrik saja. Kerugian dielektrik dalam kristal ini tidak bergantung pada frekuensi, dan tgδ berkurang dengan meningkatnya frekuensi. Dengan meningkatnya suhu, kerugian dan tgft berubah dengan cara yang sama seperti konduktivitas listrik, meningkat sesuai dengan hukum fungsi eksponensial.
Dalam gelas dengan komposisi berbeda, misalnya, keramik dengan kandungan fase vitreous yang tinggi, ada kerugian akibat konduktivitas listrik. Kerugian ini disebabkan oleh pergerakan ion yang terikat lemah; mereka biasanya terjadi pada suhu di atas 50 — 100°C (323 — 373 K). Kerugian ini meningkat secara signifikan dengan suhu menurut hukum fungsi eksponensial dan sedikit bergantung pada frekuensi (tgδ berkurang dengan meningkatnya frekuensi).
Dalam dielektrik polikristalin anorganik (marmer, keramik, dll.), Kerugian dielektrik tambahan terjadi karena adanya pengotor semikonduktor: kelembapan, oksida besi, karbon, gas, dll. bahan yang sama, karena sifat bahan berubah di bawah pengaruh kondisi lingkungan.
Kehilangan dielektrik pada dielektrik polar organik (kayu, eter selulosa, larutan alami, resin sintetik) disebabkan oleh polarisasi struktural akibat pengepakan partikel lepas. Rugi-rugi ini bergantung pada suhu yang memiliki maksimum pada suhu tertentu serta frekuensi yang meningkat seiring dengan pertumbuhannya. Oleh karena itu, dielektrik ini tidak digunakan dalam bidang frekuensi tinggi.
Secara karakteristik, ketergantungan tgδ pada suhu untuk kertas yang diresapi dengan senyawa memiliki dua maksimum: yang pertama diamati pada suhu negatif dan mencirikan hilangnya serat, maksimum kedua pada suhu tinggi disebabkan oleh hilangnya dipol senyawa. Dengan meningkatnya suhu dielektrik polar, kerugian yang terkait dengan peningkatan konduktivitas listrik.