3. PERMITIVITATEA RELATIV I FACTORUL DE PIERDERI DIELECTRICE ALE MATERIALELOR IZOLANTE SOLIDE

1. Scopul lucrrii

Scopul general al acestei lucrri este de a studia mrimile fizice ce caracterizeaz fenomenul de polarizare electric. Masurtorile i calculele permit fixarea valorilor permitivitii relative i a factorului de pierderi pentru civa dielectrici uzuali.

2. Noiuni teoretice

- Dipol electric: un sistem de dou sarcini punctuale +q i -q situate la o distan d .

- Moment electric dipolar

- Polarizaie electric: mrime vectorial egal cu suma vectorial a momentelor electrice dipolare coninute n volumul infinit mic V :

- Polarizaie temporar: polarizaia indus de intensitatea cmpului electric E i care se anuleaz n absena sa. Legea polarizaiei temporare se scrie:

unde

- este permeativitatea electric a vidului cu valoarea 8.85 10-12

- este susceptibilitate electric- Dielectric: material a crui proprietate electromagnetic fundamental este de a se polariza sub aciunea unui cmp electric.

- Material polar: material format din molecule care prezint un moment electric spontan.

- Material nepolar: material format din molecule care nu prezint un moment electric spontan.

- Mecanisme de polarizare:

polarizare electronic: deplasarea relativ a norului electronic al unui atom n raport cu nucleul, sub efectul cmpului electric;

polarizare ionic: deplasarea n sens contrar a ionilor de semn opus sub efectul unui cmp electric;

polarizare de orientare: rotirea momentelor dipolare spontane ale particulelor constitutive sub efectul unui cmp electric.

Observaie. Materialele neomogene pot prezenta n plus o polarizaie suplimentar

numit polarizaie de neomogenitate.- Permitivitate relativ:

astfel nct

Din relaia de mai sus se poate observa c exprim usurina cu care un material se poate polariza sub aciunea unui cmp electric. Deci, un material care nu se polarizeaz are , n timp ce un material care se polarizeaza are . Cu cat este mai mare, cu atat polarizaia materialului este mai mare.

n cazul cmpurilor electrice armonice, susceptivitatea electric i permitivitatea relativ sunt mrimi complexe:

unde are aceai semnificaia fizic ca n cmp continuu n timp ce caracterizeaz pierderile dielectrice datorate polarizaiei electrice a materialului.

Valorile lui depind de structura fizico-chimic a materialelor, de starea lor de agregare, de caracteristicile mediului ambiant, de cmpul electric etc. Astfel, valorile lui pentru materiale polare sunt mai mari dect cele pentru materiale nepolare gazele au , iar materialele care prezint o polarizaie permanent au de ordinul sutelor. (Tabelul 1). Tabelul 1.Valori ale lui r pentru diferite materialeMateriale

Gaze1

Lichidenepolare1,5 2,5

polare2,5 6

puternic polarezeci

Solidemolecularenepolare2 3

polare3 16

ionice5 13

semiconductori8 16

feroelectricisute mii

- Factor de pierderi dielectrice

Utilizarea unui izolant n electrotehnic implic plasarea izolantului ntre dou conductoare, ceea ce corespunde realizrii unui condensator. Ar fi ideal ca izolatorul s asigure izolarea electric perfect a celor dou conductoare unul fa de cellalt, ceea ce ar corespunde realizrii unui condensator ideal n care puterea disipat este nul.

La aplicarea unei tensiuni sinusoidale condensatorului ideal, defazajul dintre curent si tensiune ar fi (figura 1.a). n realitate, curentul care circul n condensator are o component n faz cu tensiunea (figura 1.b.), ceea cecorespunde unei disipri de putere n izolator. Aceast putere, n general nerecuperabil, reprezint pierderile dielectrice.

Figura 1. Defazaj curent tensiune: a) condensator ideal;b) condensator real.

Pierderile dielectrice se datoreaz fenomenelor de conducie electric (efect Joule) i de polarizare electric. Deci, pentru un condensator real, defazajul dintre curentul i tensiunea este , Complementul lui , notat cu , se numete unghi de pierderi dielectrice. Mrimea tg se numete factor de pierderi dielectrice i caracterizeaz pierderile dielectrice dintr-un material izolant.Factorul de pierderi are expresia:

unde:

EMBED Equation.3 factor de pierderi prin histerezis dielectric (prin polarizare);

factor de pierderi prin conducie electric ntr-un izolator de conductivitate , supus unui cmp electric de pulsaie ;

puterea reactiv corespunztoare condensatorului de capacitate C supus unei tensiuni de valoare efectiv U;

puterea reactiv disipat n izolant.

Valorile factorului de pierderi tg (intre 10-5 si 0,5), depind de structura fizico-

Chimic a materialelor, de caractristicile mediului ambiant, de cmpul electric. n general, tg are valori mult mai mici pentru materialele nepolare care au o conductivitate mic (polipropilen, polietilen, cuar), dect materialele polare care au mare (PCV, poliamide).3. Chestiuni de studiat3.1 Determinai tg i pentru cteva materiale izolante solide sub form de plci.

3.2 Calculai tg c, tg h i pentru o polietilen de conductivitate electric cunoscut (=5.10-17 S/m)4. Determinri experimentale Figura 2 prezint montajul utilizat pentru efectuarea msuratorilor experimentale.

Figura 2. Schema de montaj utilizat pentru determinarea marimilor i tg .Pentru a determina a unui izolator trebuie masurat capacitatea condensatorului care are ca dielectric izolatorul studiat.

Aparatul de msur utilizat este un RLC-metru care indic pentru un condensator conectat la bornele sale capacitatea Cx i factorul de pierderi dielectrice tg , la una din frecvenele 100Hz sau 1kHz.

Conexiunea ntre RLC-metru i condensatorul de masur se face cu ajutorul unui cablu coaxial de capacitate cunoscuta (Cc). n acelai timp cu capacitatea real (Cr) a condensatorului care are ca dielectric izolatorul studiat, se masoar de asemenea capacitatea parazit a celulei de msur Cp = 43 pF. Deci, la bornele RLC-metrului sunt trei condensatoare conectate n paralel: Cc, Cr and Cp (figura 3). Evident, Cx este capacitatea echivalent acestor trei capaciti: Cx = Cc + Cr + Cp.

Figura 3. Schema echivalent

Cu Cx msurat, se calculeaz Cr Cr = Cx Cc CpCum Cr este capacitatea unui condensator plan,

Rezult c ,

Unde reprezint capacitatea condensatorului cu aer, avand configuraia geometrica identic cu cea a condensatorului care are ca dielectric materialul studiat, A suprafaa electrodului (de diametru D = 10 cm) i d grosimea materialul Notai rezultatele obinute n tabelul urmtor:

Material

izolantGrosime

d [mm]Frecvena

f [Hz]CxpFCrpFC0pF

tg Obs.

5. Verificarea rezultatelor

Tabelul 2 prezint valorile experimentale ale mrimilor si tg pentru cteva materiale izolante. n figurile 4 7 sunt prezentate variaiile mrimilor studiate in funcie de temperatur i de frecvena cmpului electric.

Figura 4 Figura 5.Variaia cu temperatura Variaia i cu frecvena C E

Figura 6. Figura 7.Variaia tg cu temperatura Variaia tg cu frecvena C E

6.ntrebri Care este cauza diferenelor dintre valorile proprietilor dielectrice determinate n laborator i cele prezentate n tabelul 2?

Care din materialele studiate pot fi utilizate n sistemele de izolaie care functioneaz la frecvene nalte?

De ce este necesar cunoaterea frecvenelor proprii (f0k) ale materialelor?

De ce materialele polare au valorile si tg mai mari dect materialele nepolare? Care este valoarea lui a unui material izolant supus unui cmp electric de frecvene optice?PAGE 2

_1443120254.unknown

_1443126606.unknown

_1443127367.unknown

_1443179192.unknown

_1443180169.unknown

_1443180283.unknown

_1443180960.unknown

_1443180233.unknown

_1443179455.unknown

_1443127488.unknown

_1443179124.unknown

_1443127430.unknown

_1443126812.unknown

_1443127235.unknown

_1443127240.unknown

_1443126952.unknown

_1443126670.unknown

_1443126772.unknown

_1443126632.unknown

_1443121186.unknown

_1443126368.unknown

_1443126390.unknown

_1443126337.unknown

_1443120463.unknown

_1443120965.unknown

_1443120628.unknown

_1443120832.unknown

_1443120423.unknown

_1443120295.unknown

_1443120381.unknown

_1443119125.unknown

_1443119616.unknown

_1443120121.unknown

_1443119505.unknown

_1443118958.unknown

_1443119099.unknown

_1443118869.unknown