誘電損失とは何か、またその原因は何ですか

誘電損失は、電界が印加されて誘電体が加熱されたときに誘電体内で単位時間当たりに散逸するエネルギーです。定電圧では、エネルギー損失は体積と表面伝導による貫通電流の強さによってのみ決まります。交流電圧では、これらの損失は、さまざまなタイプの分極、および半導体不純物、酸化鉄、炭素、ガス含有物などの存在による損失に追加されます。

最も単純な誘電体を考えると、交流電圧の影響下で誘電体内で消費される電力の式を書くことができます。

Pa = U・I、

ここで、U は誘電体に印加される電圧、Aza は誘電体を流れる電流の有効成分です。

誘電体等価回路は、通常、直列に接続されたコンデンサとアクティブ抵抗の形式で表されます。ベクトル図から (図 1 を参照):

Aza = 集積回路・tgδ、

ここで δ — 総電流 I のベクトルとその容量成分である集積回路との間の角度。

したがって

Pa = U・集積回路・tgδ、

しかし、現在

集積回路 = UΩ C、

ここで、 は角周波数 ω におけるコンデンサ (誘電体と仮定) の静電容量です。

その結果、誘電体で消費される電力は次のようになります。

Pa = U2Ω C・tgδ、

つまり誘電体で散逸されるエネルギー損失は、角度 δ の正接に比例します。 誘電損失角 または単に損失角。この角度δ k は、誘電体の品質を特徴づけます。角度誘電損失δが小さいほど、絶縁材料の誘電特性は高くなります。

米。 1. 交流電圧下の誘電体内の電流のベクトル図。

角度δの概念の導入 誘電損失の絶対値の代わりに相対値が考慮されるため、絶縁製品を異なる品質の誘電体と比較できるため、実践に便利です。

ガス中の誘電損失

ガス中の誘電損失は小さいです。ガスには 非常に低い導電率… 分極中の双極子ガス分子の配向には誘電損失は伴いません。 tgδ=e(U)を足したものをイオン化曲線といいます(図2)。

米。 2. 空気混入による絶縁の電圧の関数としての tgδ の変化

電圧の増加に伴う tgδ の上昇により、固体絶縁体内のガス含有物の存在を評価できます。ガスの大幅なイオン化と損失により、加熱や絶縁破壊が発生する可能性があります。したがって、製造中にガス含有物を除去するために、高電圧電気機械の巻線の絶縁体には特別な処理が施されます。真空下で乾燥させ、加圧下で加熱した化合物を絶縁体の細孔に充填し、圧延してプレスします。

空気含有物のイオン化はオゾンと窒素酸化物の形成を伴い、有機絶縁体に破壊的な影響を与えます。電力線などの不均一なフィールドでの空気のイオン化には、可視光（コロナ）の影響と大幅な損失が伴い、伝送効率が低下します。

液体誘電体の誘電損失

液体中の誘電損失は、液体の組成によって異なります。不純物のない中性（無極性）液体では、電気伝導率が非常に低いため、誘電損失も小さくなります。たとえば、精製されたコンデンサーオイルには tgδ があります。

技術分野では、極性液体 (ソボル、ヒマシ油など) または中性液体と双極性液体の混合物 (変圧器油、化合物など）、誘電損失は中性液体の誘電損失よりも大幅に高くなります。たとえば、周波数 106 Hz、温度 20°C (293 K) におけるヒマシ油の tgδ は 0.01 です。

極性液体の誘電損失は粘度に依存します。これらの損失は双極子分極によるものであるため、双極子損失と呼ばれます。

低粘度では、分子は摩擦のない場の作用下で配向され、この場合の双極子損失は小さく、総誘電損失は導電率のみによるものです。粘度が増加すると、双極子損失が増加します。特定の粘度では、損失が最大になります。

これは、十分に高い粘度では分子が場の変化に追従する時間がなく、双極子分極が事実上消失するという事実によって説明される。この場合、誘電損失は小さい。周波数が増加するにつれて、最大損失は高温領域にシフトします。

損失の温度依存性は複雑です。tgδ は温度の上昇とともに増加し、最大値に達し、次に最小値まで減少し、その後再び増加します。これは、導電率の増加によって説明されます。双極子損失は、分極が磁場の変化に追従する時間ができるまで周波数が増加するにつれて増加します。その後、双極子分子は磁場の方向に完全に配向する時間がなくなり、損失は一定になります。

低粘度の流体では、伝導損失は低周波数で支配的であり、双極子損失は無視できます。逆に、無線周波数ではダイポール損失が高くなります。したがって、ダイポール誘電体は高周波分野では使用されません。

固体誘電体の誘電損失

固体誘電体の誘電損失は、構造 (結晶またはアモルファス)、組成 (有機または無機)、および分極の性質によって異なります。硫黄、パラフィン、ポリスチレンなどの固体中性誘電体では、電子分極のみがあり、誘電損失はありません。損失は​​不純物によってのみ発生する可能性があります。したがって、このような材料は高周波誘電体として使用されます。

電子分極およびイオン分極を有する岩塩、シルバイト、石英、純粋な雲母の単結晶などの無機材料は、導電性のみにより誘電損失が低くなります。これらの結晶の誘電損失は周波数に依存せず、tgδは周波数の増加とともに減少します。温度が上昇すると、損失と tgft は導電率と同様に変化し、指数関数の法則に従って増加します。

異なる組成のガラス、たとえばガラス相の含有量が高いセラミックでは、導電率による損失が観察されます。これらの損失は、弱く結合したイオンの移動によって引き起こされます。通常、50 ～ 100°C (323 ～ 373 K) を超える温度で発生します。これらの損失は、指数関数の法則に従って温度とともに大幅に増加し、周波数にはほとんど依存しません（周波数の増加とともに tgδ は減少します）。

無機多結晶誘電体 (大理石、セラミックなど) では、水分、酸化鉄、炭素、ガスなどの半導体不純物の存在により、追加の誘電損失が発生します。材料の特性は環境条件の影響で変化するため、同じ材料でも同じです。

有機極性誘電体（木材、セルロースエーテル、天然溶液、合成樹脂）の誘電損失は、粒子の充填が緩いことによる構造分極が原因です。これらの損失は、特定の温度で最大値を示す温度と、その成長に伴って増加する周波数に依存します。したがって、これらの誘電体は高周波分野では使用されません。

特徴として、化合物を含浸させた紙の tgδ の温度依存性には 2 つの極大値があります。1 つ目は負の温度で観察され、繊維の損失を特徴づけます。2 つ目の極大値は高温で観察され、化合物の双極子の損失によるものです。極性誘電体の温度が上昇すると、導電率に関連する損失が増加します。