Wat zijn de dielectrische eigenschappen van isolerende materialen?

Wat zijn de dielectrische eigenschappen van isolerende materialen?

Definitie van een dielectricum

Een dielectricum wordt gedefinieerd als een materiaal dat geen elektriciteit geleidt, maar elektrische energie kan opslaan, waardoor de functionaliteit van apparaten zoals condensatoren wordt versterkt.

Breekspanning

Het dielectrische materiaal heeft slechts enkele elektronen in normale bedrijfsomstandigheden. Wanneer de elektrische sterkte boven een bepaalde waarde stijgt, treedt er een doorbraak op. Dat wil zeggen, de isolerende eigenschappen worden beschadigd en het wordt uiteindelijk een geleider. De elektrische veldsterkte op het moment van de doorbraak wordt breekspanning of dielectrische sterkte genoemd. Het kan worden uitgedrukt in de minimale elektrische spanning die onder bepaalde omstandigheden zal leiden tot de doorbraak van het materiaal.

Het kan worden verminderd door veroudering, hoge temperatuur en vocht. Het wordt gegeven als

Dielectrische sterkte of breekspanning 

V→ Doorbraakpotentiaal.

t→ Dikte van het dielectrische materiaal.

Relatieve permissiviteit

Dit wordt ook wel specifieke inductieve capaciteit of dielectrische constante genoemd. Dit geeft ons informatie over de capaciteit van de condensator wanneer een dielectricum wordt gebruikt. Het wordt aangeduid met εr. De capaciteit van de condensator is gerelateerd aan de afstand tussen de platen of we kunnen zeggen de dikte van de dielectrica, de doorsnede van de platen en de eigenschappen van het gebruikte dielectrische materiaal. Een dielectrisch materiaal met een hoge dielectrische constante is gunstig voor condensatoren.

Relatieve permeabiliteit of dielectrische constante = 

We zien dat als we lucht vervangen door een ander dielectrisch medium, de capaciteit (condensator) verbetert.De dielectrische constante en dielectrische sterkte van sommige dielectrische materialen staan hieronder vermeld.

Dissipatiecoëfficiënt, verlieshoek en cosinus phi

Wanneer een dielectrisch materiaal een wisselspanning krijgt, vindt er geen energieverbruik plaats. Dit wordt perfect bereikt alleen door vacuüm en gezuiverde gassen. Hier kunnen we zien dat de laadstroom de toegepaste spanning met 90o voorloopt, zoals getoond in figuur 2A. Dit betekent dat er geen vermogensverlies is in isolatoren. Maar in de meeste gevallen is er een energieverlies in de isolatoren bij toepassing van wisselstroom. Dit verlies wordt dielectrisch verlies genoemd. In praktische isolatoren zal de lekstroom de toegepaste spanning nooit met 90o voorlopen (figuur 2B). De hoek die de lekstroom vormt, is de fasehoek (φ). Deze zal altijd minder dan 90° zijn. We krijgen ook de verlieshoek (δ) hieruit als 90- φ.

Het equivalente schema is hieronder getoond met capaciteit en weerstand parallel geschakeld.

Hieruit krijgen we het dielectrische vermogensverlies als

X → Capacitieve reactantie (1/2πfC)

cosφ → sinδ

In de meeste gevallen is δ klein. Dus kunnen we sinδ = tanδ nemen.

Dus, tanδ wordt bekend als de cosinus phi van dielectrica.

Het begrijpen van de eigenschappen van dielectrische materialen is cruciaal voor het ontwerpen, fabriceren, bedienen en recyclen van deze isolatoren, waarbij de beoordelingen meestal worden gedaan via berekeningen en metingen.