การสูญเสียไดอิเล็กตริกคืออะไรและเกิดจากอะไร

การสูญเสียไดอิเล็กตริกคือพลังงานที่สูญเสียไปต่อหน่วยเวลาในไดอิเล็กตริกเมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้ากับมัน และทำให้ไดอิเล็กตริกร้อนขึ้น ที่แรงดันคงที่ การสูญเสียพลังงานจะพิจารณาจากความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านเท่านั้นเนื่องจากปริมาตรและการนำไฟฟ้าที่พื้นผิว ที่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ความสูญเสียเหล่านี้จะถูกเพิ่มเข้าไปในความสูญเสียเนื่องจากโพลาไรเซชันประเภทต่างๆ เช่นเดียวกับการมีสิ่งเจือปนในเซมิคอนดักเตอร์ ออกไซด์ของเหล็ก คาร์บอน การรวมตัวของก๊าซ ฯลฯ

เมื่อพิจารณาถึงอิเล็กทริกที่ง่ายที่สุด เราสามารถเขียนนิพจน์สำหรับพลังงานที่กระจายไปภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ:

ป่า = คุณ·ฉัน,

โดยที่ U คือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับไดอิเล็กตริก Aza เป็นส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ของกระแสที่ไหลผ่านไดอิเล็กตริก

วงจรสมมูลไดอิเล็กทริกมักจะแสดงในรูปของตัวเก็บประจุและตัวต้านทานแบบแอกทีฟที่ต่อเป็นอนุกรม จากแผนภาพเวกเตอร์ (ดูรูปที่ 1):

Aza = วงจรรวม·tgδ,

โดยที่ δ — มุมระหว่างเวกเตอร์ของกระแสรวม I และส่วนประกอบตัวเก็บประจุ วงจรรวม

ดังนั้น

Pa = U·วงจรรวม·tgδ,

แต่ปัจจุบัน

วงจรรวม = UΩ C,

โดยที่ความจุของตัวเก็บประจุ (ให้ไดอิเล็กตริก) ที่ความถี่เชิงมุม ω

เป็นผลให้พลังงานที่กระจายไปในไดอิเล็กตริกคือ

Pa = U2Ω C·tgδ,

เช่น. การสูญเสียพลังงานที่กระจายไปในไดอิเล็กตริกเป็นสัดส่วนกับสัมผัสของมุม δ ซึ่งเรียกว่า มุมการสูญเสียอิเล็กทริก หรือเพียงแค่มุมของการสูญเสีย มุมนี้ δ k แสดงถึงคุณภาพของอิเล็กทริก ยิ่งมุม di การสูญเสียไฟฟ้า δ น้อยลงเท่าใด คุณสมบัติไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวนก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

ข้าว. 1. แผนภาพเวกเตอร์ของกระแสในไดอิเล็กตริกภายใต้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

การแนะนำแนวคิดของมุม δ สะดวกสำหรับการปฏิบัติเพราะแทนที่จะใช้ค่าสัมบูรณ์ของการสูญเสียไดอิเล็กตริก จะพิจารณาค่าสัมพัทธ์ซึ่งทำให้สามารถเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์ฉนวนกับไดอิเล็กตริกที่มีคุณภาพต่างกันได้

การสูญเสียอิเล็กทริกในก๊าซ

การสูญเสียอิเล็กทริกในก๊าซมีน้อย ก๊าซมี การนำไฟฟ้าต่ำมาก… การวางแนวของโมเลกุลของไดโพลแก๊สระหว่างโพลาไรเซชันไม่ได้มาพร้อมกับการสูญเสียไดอิเล็กตริก การบวก tgδ=e(U) เรียกว่า เส้นโค้งไอออไนเซชัน (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. การเปลี่ยนแปลงใน tgδ เป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าสำหรับฉนวนที่มีการรวมอากาศ

ค่า tgδ ที่เพิ่มขึ้นพร้อมแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นสามารถประเมินการมีอยู่ของก๊าซรวมในฉนวนที่เป็นของแข็ง ด้วยการแตกตัวเป็นไอออนและการสูญเสียก๊าซอย่างมีนัยสำคัญ อาจเกิดความร้อนและการแตกของฉนวนได้ดังนั้นฉนวนของขดลวดของเครื่องจักรไฟฟ้าแรงสูงเพื่อกำจัดการรวมตัวของก๊าซในระหว่างการผลิตจะต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ - การทำให้แห้งภายใต้สุญญากาศ เติมรูพรุนของฉนวนด้วยสารประกอบที่ให้ความร้อนภายใต้แรงดันและกลิ้งเพื่อกด

ไอออนไนซ์ของการรวมตัวของอากาศนั้นมาพร้อมกับการก่อตัวของโอโซนและไนโตรเจนออกไซด์ซึ่งมีผลทำลายฉนวนอินทรีย์ การแตกตัวเป็นไอออนของอากาศในพื้นที่ที่ไม่สม่ำเสมอ เช่น ในสายไฟ จะมาพร้อมกับผลกระทบของแสงที่มองเห็นได้ (โคโรนา) และการสูญเสียที่มีนัยสำคัญ ซึ่งจะลดประสิทธิภาพการส่งสัญญาณ

การสูญเสียอิเล็กทริกในไดอิเล็กตริกเหลว

การสูญเสียอิเล็กทริกในของเหลวขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ ในของเหลวที่เป็นกลาง (ไม่มีขั้ว) ที่ไม่มีสิ่งเจือปน ค่าการนำไฟฟ้าจะต่ำมาก ดังนั้นการสูญเสียไดอิเล็กตริกจึงมีน้อยเช่นกัน ตัวอย่างเช่น น้ำมันคอนเดนเซอร์กลั่นมี tgδ

ในทางเทคโนโลยี ของเหลวที่มีขั้ว (โซโวล น้ำมันละหุ่ง ฯลฯ) หรือส่วนผสมของของเหลวที่เป็นกลางและของเหลวที่มีขั้ว (น้ำมันหม้อแปลง, สารประกอบ ฯลฯ) ซึ่งสูญเสียไดอิเล็กตริกสูงกว่าของเหลวที่เป็นกลางอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น tgδ ของน้ำมันละหุ่งที่ความถี่ 106 Hz และอุณหภูมิ 20°C (293 K) คือ 0.01

การสูญเสียอิเล็กทริกของของเหลวมีขั้วขึ้นอยู่กับความหนืด การสูญเสียเหล่านี้เรียกว่าการสูญเสียไดโพลเนื่องจากเกิดจากการโพลาไรเซชันของไดโพล

ที่ความหนืดต่ำ โมเลกุลจะถูกกำหนดทิศทางภายใต้การกระทำของสนามที่ไม่มีแรงเสียดทาน การสูญเสียไดโพลในกรณีนี้มีน้อย และการสูญเสียไดอิเล็กทริกทั้งหมดเกิดจากการนำไฟฟ้าเท่านั้น การสูญเสียไดโพลจะเพิ่มขึ้นตามความหนืดที่เพิ่มขึ้นที่ความหนืดระดับหนึ่ง การสูญเสียจะสูงสุด

สิ่งนี้อธิบายได้จากความจริงที่ว่าโมเลกุลมีความหนืดสูงเพียงพอไม่มีเวลาติดตามการเปลี่ยนแปลงในสนามและโพลาไรเซชันของไดโพลจะหายไปจริง ในกรณีนี้ การสูญเสียอิเล็กทริกมีน้อย เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การสูญเสียสูงสุดจะเลื่อนไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงขึ้น

การพึ่งพาอุณหภูมิของการสูญเสียนั้นซับซ้อน: tgδ เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ถึงจุดสูงสุด จากนั้นลดลงถึงต่ำสุด จากนั้นเพิ่มขึ้นอีกครั้ง สิ่งนี้อธิบายได้จากการเพิ่มขึ้นของการนำไฟฟ้า การสูญเสียของไดโพลจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้นจนกระทั่งโพลาไรเซชันมีเวลาติดตามการเปลี่ยนแปลงในสนาม หลังจากนั้นโมเลกุลของไดโพลจะไม่มีเวลาปรับทิศทางตัวเองอย่างเต็มที่ในทิศทางของสนามอีกต่อไป และการสูญเสียจะคงที่

ในของไหลที่มีความหนืดต่ำ การสูญเสียการนำไฟฟ้าจะมีผลเหนือกว่าที่ความถี่ต่ำ และการสูญเสียไดโพลจะเล็กน้อย ในทางตรงกันข้าม ที่ความถี่วิทยุ การสูญเสียไดโพลจะสูง ดังนั้นจึงไม่ใช้ไดโพลไดอิเล็กตริกในสนามความถี่สูง

การสูญเสียอิเล็กทริกในไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง

การสูญเสียไดอิเล็กตริกในไดอิเล็กตริกของแข็งขึ้นอยู่กับโครงสร้าง (ผลึกหรืออสัณฐาน) องค์ประกอบ (อินทรีย์หรืออนินทรีย์) และธรรมชาติของโพลาไรเซชัน ในไดอิเล็กตริกที่เป็นกลางที่เป็นของแข็ง เช่น ซัลเฟอร์ พาราฟิน โพลีสไตรีน ซึ่งมีโพลาไรเซชันแบบอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น ไม่มีการสูญเสียไดอิเล็กตริก การสูญเสียอาจเกิดจากสิ่งเจือปนเท่านั้น ดังนั้นจึงใช้วัสดุดังกล่าวเป็นไดอิเล็กตริกความถี่สูง

วัสดุอนินทรีย์ เช่น ผลึกเดี่ยวของเกลือหิน ซิลไวต์ ควอตซ์ และไมกาบริสุทธิ์ ซึ่งมีโพลาไรเซชันแบบอิเล็กทริกและไอออนิก มีการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำเนื่องจากการนำไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว การสูญเสียไดอิเล็กตริกในผลึกเหล่านี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความถี่ และ tgδ จะลดลงตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความสูญเสียและ tgft จะเปลี่ยนแปลงในลักษณะเดียวกับการนำไฟฟ้า โดยเพิ่มขึ้นตามกฎของฟังก์ชันเอกซ์โปเนนเชียล

ในแก้วที่มีองค์ประกอบต่างกัน ตัวอย่างเช่น เซรามิกที่มีปริมาณเฟสน้ำเลี้ยงสูง จะสังเกตเห็นการสูญเสียเนื่องจากการนำไฟฟ้า การสูญเสียเหล่านี้เกิดจากการเคลื่อนตัวของไอออนที่มีพันธะอย่างอ่อน มักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 50 — 100°C (323 — 373 K) การสูญเสียเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญตามอุณหภูมิตามกฎของฟังก์ชันเอกซ์โปเนนเชียลและขึ้นอยู่กับความถี่เพียงเล็กน้อย (tgδ ลดลงเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น)

ในไดอิเล็กตริกคริสตัลไลน์อนินทรีย์ (หินอ่อน เซรามิก ฯลฯ) การสูญเสียไดอิเล็กตริกเพิ่มเติมเกิดขึ้นเนื่องจากมีสารกึ่งตัวนำเจือปน: ความชื้น ออกไซด์ของเหล็ก คาร์บอน ก๊าซ ฯลฯ วัสดุเดียวกันเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของสภาพแวดล้อม

การสูญเสียไดอิเล็กตริกในไดอิเล็กตริกเชิงขั้วอินทรีย์ (ไม้ เซลลูโลสอีเทอร์ สารละลายธรรมชาติ เรซินสังเคราะห์) เกิดจากโครงสร้างโพลาไรเซชันเนื่องจากการบรรจุอนุภาคหลวม การสูญเสียเหล่านี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่มีอุณหภูมิสูงสุด ณ อุณหภูมิหนึ่งๆ รวมถึงความถี่ที่เพิ่มขึ้นตามการเติบโตของมัน ดังนั้นจึงไม่ใช้ไดอิเล็กตริกเหล่านี้ในสนามความถี่สูง

ลักษณะเฉพาะ การพึ่งพา tgδ กับอุณหภูมิของกระดาษที่ชุบด้วยสารประกอบมีสองค่าสูงสุด: ค่าแรกถูกสังเกตที่อุณหภูมิติดลบและแสดงลักษณะการสูญเสียของเส้นใย ค่าสูงสุดที่สองที่อุณหภูมิสูงเกิดจากการสูญเสียไดโพลของสารประกอบ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นในโพลาร์ไดอิเล็กตริก การสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น