Jaké jsou dielektrické vlastnosti izolačních materiálů?

Jaké jsou dielektrické vlastnosti izolačních materiálů?

Definice dielektrika

Dielektrikum je definováno jako materiál, který nevodi elektriku, ale může ukládat elektrickou energii, což zvyšuje funkčnost zařízení, jako jsou kondenzátory.

Napětí proprasku

Dielektrický materiál má pouze několik elektronů v běžných provozních podmínkách. Pokud se elektrická síla zvýší nad určitou hodnotu, dojde k prasknutí. To znamená, že izolační vlastnosti jsou poškozeny a nakonec se stane vodičem. Elektrická pole síla v okamžiku prasknutí se nazývá napětí proprasku nebo dielektrická síla. Může být vyjádřena minimálním elektrickým napětím, které vede k prasknutí materiálu za nějakých podmínek.

Může být snížena stárnutím, vysokou teplotou a vlhkostí. Je dána vztahem:

Dielektrická síla nebo napětí proprasku 

V → Napětí proprasku.

t → Tloušťka dielektrického materiálu.

Relativní permitivita

Také se nazývá specifická induktivní kapacita nebo dielektrická konstanta. Poskytuje nám informace o kapacitanci kondenzátoru, když se používá dielektrikum. Označuje se jako εr. Kapacitance kondenzátoru je spojena s vzdáleností mezi elektrodami, tj. tloušťkou dielektrika, plochou průřezu elektrod a charakterem použitého dielektrického materiálu. Materiál s vysokou dielektrickou konstantou je preferován pro kondenzátory.

Relativní permeabilita nebo dielektrická konstanta = 

Můžeme vidět, že pokud nahradíme vzduch jakýmkoli dielektrickým prostředkem, kapacitance (kondenzátor) se zlepší.Dielektrická konstanta a dielektrická síla některých dielektrických materiálů jsou uvedeny níže.

Faktor disipace, úhel ztráty a faktor moci

Když se dielektrickému materiálu předá AC zdroj, nedochází k využití energie. Je dokonale dosaženo pouze ve vakuu a čistých plynech. Zde můžeme vidět, že nabíjecí proud předstihuje aplikované napětí o 90o, jak je znázorněno na obrázku 2A. To znamená, že není žádná ztráta energie v izolátorech. Ale většinou dochází k disipaci energie v izolátorech, když je aplikován střídavý proud. Tato ztráta se nazývá dielektrická ztráta. V praktických izolátorech nabíjecí proud nikdy nepředstihuje aplikované napětí o 90o (obrázek 2B). Úhel tvořený proudem unikání je fázový úhel (φ). Bude vždy menší než 90. Z tohoto také získáme úhel ztráty (δ) jako 90- φ.

Ekvivalentní obvod je znázorněn níže s kapacitancí a rezistorem uspořádanými paralelně.

Z tohoto získáme dielektrickou ztrátu energie jako

X → Kapacitivní reaktance (1/2πfC)

cosφ → sinδ

Většinou je δ malé. Proto můžeme brát sinδ = tanδ.

Tedy tanδ se nazývá faktor moci dielektrika.

Porozumění vlastnostem dielektrických materiálů je klíčové pro navrhování, výrobu, provoz a recyklaci těchto izolátorů, s posouzením, které se obvykle provádí pomocí výpočtů a měření.