Qu'est-ce qu'une perte diélectrique et qu'est-ce qui la cause

Les pertes diélectriques sont l'énergie dissipée par unité de temps dans un diélectrique lorsqu'un champ électrique lui est appliqué et provoque l'échauffement du diélectrique. A tension constante, les pertes d'énergie ne sont déterminées que par l'intensité du courant traversant due à la conduction volumique et superficielle. A tension alternative, ces pertes s'ajoutent aux pertes dues aux différents types de polarisations, ainsi qu'à la présence d'impuretés semi-conductrices, oxydes de fer, carbone, inclusions de gaz, etc.

En considérant le diélectrique le plus simple, on peut écrire l'expression de la puissance dissipée dans celui-ci sous l'influence d'une tension alternative :

Pa = U·I,

où U est la tension appliquée au diélectrique, Aza est la composante active du courant traversant le diélectrique.

Le circuit équivalent diélectrique se présente généralement sous la forme d'un condensateur et d'une résistance active connectés en série. A partir du diagramme vectoriel (voir Fig. 1):

Aza = Circuit intégré·tgδ,

où δ — l'angle entre le vecteur du courant total I et sa composante capacitive Circuit intégré.

Donc

Pa = U·Circuit intégré·tgδ,

mais le courant

Circuit intégré = UΩ C,

où est la capacité d'un condensateur (diélectrique donné) à la fréquence angulaire ω.

Par conséquent, la puissance dissipée dans le diélectrique est

Pa = U2Ω C·tgδ,

c'est à dire. les pertes d'énergie dissipée dans le diélectrique sont proportionnelles à la tangente de l'angle δ que l'on appelle angle de perte diélectrique ou simplement l'angle de perte. Cet angle δ k caractérise la qualité du diélectrique. Plus l'angle di des pertes électriques δ est petit, plus les propriétés diélectriques du matériau isolant sont élevées.

Riz. 1. Diagramme vectoriel des courants dans un diélectrique sous tension alternative.

Introduction du concept d'angle δ C'est pratique pour la pratique, car au lieu de la valeur absolue des pertes diélectriques, une valeur relative est prise en compte, ce qui permet de comparer des produits isolants avec des diélectriques de qualité différente.

Pertes diélectriques dans les gaz

Les pertes diélectriques dans les gaz sont faibles. Les gaz ont très faible conductivité électrique… L'orientation des molécules de gaz dipolaires lors de leur polarisation ne s'accompagne pas de pertes diélectriques. L'addition tgδ=e(U) est appelée courbe d'ionisation (Fig. 2).

Riz. 2. Évolution de tgδ en fonction de la tension pour l'isolation aux inclusions d'air

Une augmentation de tgδ avec une tension croissante permet d'évaluer la présence d'inclusions de gaz dans l'isolant solide. Avec une ionisation et des pertes importantes dans le gaz, un échauffement et une dégradation de l'isolation peuvent se produire.Par conséquent, l'isolation des enroulements des machines électriques à haute tension pour éliminer les inclusions de gaz pendant la production est soumise à un traitement spécial - séchage sous vide, remplissage des pores de l'isolation avec un composé chauffé sous pression et laminage pour pressage.

L'ionisation des inclusions d'air s'accompagne de la formation d'ozone et d'oxydes d'azote, qui ont un effet destructeur sur l'isolation organique. L'ionisation de l'air dans des champs irréguliers, par exemple dans les lignes électriques, s'accompagne de l'effet de la lumière visible (couronne) et de pertes importantes, ce qui réduit l'efficacité de la transmission.

Pertes diélectriques dans les diélectriques liquides

Les pertes diélectriques dans les liquides dépendent de leur composition. Dans les liquides neutres (non polaires) sans impuretés, la conductivité électrique est très faible, donc les pertes diélectriques y sont également faibles. Par exemple, l'huile de condenseur raffinée a un tgδ

En technologie, des liquides polaires (Sovol, huile de ricin, etc.) ou des mélanges de liquides neutres et dipolaires (huile de transformateur, composés, etc.), dans lesquels les pertes diélectriques sont nettement supérieures à celles des liquides neutres. Par exemple, la tgδ de l'huile de ricin à une fréquence de 106 Hz et une température de 20°C (293 K) est de 0,01.

La perte diélectrique des liquides polaires dépend de la viscosité. Ces pertes sont appelées pertes dipolaires car elles sont dues à la polarisation dipolaire.

A faible viscosité, les molécules s'orientent sous l'action d'un champ sans frottement, les pertes dipolaires dans ce cas sont faibles, et les pertes diélectriques totales ne sont dues qu'à la conductivité électrique. Les pertes dipolaires augmentent avec l'augmentation de la viscosité.A une certaine viscosité, les pertes sont maximales.

Ceci s'explique par le fait qu'à viscosité suffisamment élevée les molécules n'ont pas le temps de suivre l'évolution du champ et la polarisation dipolaire disparaît pratiquement. Dans ce cas, les pertes diélectriques sont faibles. Lorsque la fréquence augmente, la perte maximale se déplace vers une région de température plus élevée.

La dépendance en température des pertes est complexe : tgδ augmente avec l'augmentation de la température, atteint son maximum, puis diminue jusqu'à un minimum, puis augmente à nouveau, cela s'explique par une augmentation de la conductivité électrique. Les pertes dipolaires augmentent avec l'augmentation de la fréquence jusqu'à ce que la polarisation ait le temps de suivre l'évolution du champ, après quoi les molécules dipolaires n'ont plus le temps de s'orienter complètement dans la direction du champ et les pertes deviennent constantes.

Dans les fluides à faible viscosité, les pertes de conduction prédominent aux basses fréquences et les pertes dipolaires sont négligeables; au contraire, aux radiofréquences, les pertes dipolaires sont élevées. Par conséquent, les diélectriques dipolaires ne sont pas utilisés dans les champs à haute fréquence.

Pertes diélectriques dans les diélectriques solides

Les pertes diélectriques dans les diélectriques solides dépendent de la structure (cristalline ou amorphe), de la composition (organique ou inorganique) et de la nature de la polarisation. Dans des diélectriques neutres solides tels que le soufre, la paraffine, le polystyrène, qui n'ont qu'une polarisation électronique, il n'y a pas de pertes diélectriques. Les pertes ne peuvent être dues qu'aux impuretés. Par conséquent, ces matériaux sont utilisés comme diélectriques haute fréquence.

Les matériaux inorganiques, tels que les monocristaux de sel gemme, de sylvite, de quartz et de mica pur, possédant une polarisation électronique et ionique, ont de faibles pertes diélectriques dues à la seule conductivité électrique. Les pertes diélectriques dans ces cristaux ne dépendent pas de la fréquence et tgδ diminue avec l'augmentation de la fréquence. Lorsque la température augmente, les pertes et tgft évoluent de la même manière que la conductivité électrique, augmentant selon la loi d'une fonction exponentielle.

Dans des verres de composition différente, par exemple des céramiques à forte teneur en phase vitreuse, des pertes dues à la conductivité électrique sont observées. Ces pertes sont causées par le mouvement des ions faiblement liés ; ils se produisent généralement à des températures supérieures à 50 — 100°C (323 — 373 K). Ces pertes augmentent significativement avec la température selon la loi d'une fonction exponentielle et dépendent peu de la fréquence (tgδ diminue avec l'augmentation de la fréquence).

Dans les diélectriques polycristallins inorganiques (marbre, céramique, etc.), des pertes diélectriques supplémentaires se produisent en raison de la présence d'impuretés semi-conductrices : humidité, oxydes de fer, carbone, gaz, etc. le même matériau, car les propriétés du matériau changent sous l'influence des conditions environnementales.

Les pertes diélectriques dans les diélectriques polaires organiques (bois, éthers de cellulose, solution naturelle, résines synthétiques) sont dues à la polarisation structurelle due à l'emballage lâche des particules. Ces pertes dépendent de la température ayant un maximum à une certaine température ainsi que de la fréquence augmentant avec sa croissance. Ces diélectriques ne sont donc pas utilisés dans les champs haute fréquence.

De manière caractéristique, la dépendance tgδ à la température pour le papier imprégné du composé présente deux maxima : le premier est observé à des températures négatives et caractérise la perte de fibres, le second maximum à des températures élevées est dû à la perte du dipôle du composé. Lorsque la température augmente dans les diélectriques polaires, les pertes associées à la conductivité électrique augmentent.