Jakie są dielektryczne właściwości materiałów izolacyjnych
Jakie są właściwości dielektryczne materiałów izolacyjnych?
Definicja dielektryka
Dielektryk definiuje się jako materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego, ale może przechowywać energię elektryczną, zwiększając funkcjonalność urządzeń takich jak kondensatory.
Napięcie przebicia
Materiał dielektryczny ma tylko pewną liczbę elektronów w normalnych warunkach pracy. Gdy natężenie pola elektrycznego wzrośnie ponad określoną wartość, następuje przebicie. Oznacza to, że właściwości izolacyjne są uszkodzone i materiał staje się przewodnikiem. Natężenie pola elektrycznego w momencie przebicia nazywane jest napięciem przebicia lub wytrzymałością dielektryczną. Można je wyrazić jako minimalny naprężenie elektryczne, które spowoduje przebicie materiału w określonych warunkach.
Może ono być zmniejszone przez starzenie, wysoką temperaturę i wilgoć. Wyraża się to jako
Wytrzymałość dielektryczna lub napięcie przebicia
V → Napięcie przebicia.
t → Grubość materiału dielektrycznego.
Przenikalność względna
Nazywana jest również pojemnością indukcyjną specyficzną lub stałą dielektryczną. Podaje nam informacje o pojemności kondensatora, gdy używa się dielektryka. Oznaczana jest jako εr. Pojemność kondensatora jest związana z odstępem między płytami lub możemy powiedzieć grubością dielektryka, przekrojem płytek i charakterystyką używanego materiału dielektrycznego. Materiał dielektryczny o wysokiej stałej dielektrycznej jest preferowany dla kondensatorów.
Przenikalność względna lub stała dielektryczna =
Widzimy, że jeśli zastąpimy powietrze jakimkolwiek medium dielektrycznym, pojemność (kondensator) zostanie poprawiona.Stała dielektryczna i wytrzymałość dielektryczna niektórych materiałów dielektrycznych podane są poniżej.
Czynnik dyssypacji, kąt strat i współczynnik mocy
Gdy materiał dielektryczny jest poddany zasilaniu AC, nie następuje zużycie mocy. Jest to doskonale osiągane tylko przez próżnię i czyste gazy. Tutaj możemy zobaczyć, że prąd ładujący będzie wyprzedzał napięcie zastosowane o 90o, co pokazano na rysunku 2A. To oznacza, że nie ma strat mocy w izolatorach. Jednak w większości przypadków występują straty energii w izolatorach, gdy zastosowano prąd przemienny. Te straty nazywane są stratami dielektrycznymi. W praktycznych izolatorach prąd przeciekowy nigdy nie wyprzedza napięcia zastosowanego o 90o (rysunek 2B). Kąt utworzony przez prąd przeciekowy to kąt fazowy (φ). Zawsze będzie mniejszy niż 90. Możemy również uzyskać kąt strat (δ) jako 90- φ.
Obwód równoważny przedstawiony jest poniżej z pojemnością i opornikiem ułożonymi równolegle.
Na tej podstawie otrzymamy straty mocy dielektrycznej jako
X → Reaktancja pojemnościowa (1/2πfC)
cosφ → sinδ
W większości przypadków δ jest małe. Możemy więc przyjąć sinδ = tanδ.
Więc tanδ jest znany jako współczynnik mocy dielektryków.
Zrozumienie właściwości materiałów dielektrycznych jest kluczowe do projektowania, produkcji, eksploatacji i recyklingu tych izolatorów, z ocenami zwykle dokonywanymi poprzez obliczenia i pomiary.
