Қатты диэлектриктердегі диэлектрлік шығындар

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 21 бет
Таңдаулыға:

Қазақ ұлттық аграрлық зерттеу университеті
ІТ - технологиялар, автоматтандыру және агроөнеркәсіптік кешенін
механизациялау факультеті
Кафедра Энергия үнемдеу және автоматика
Электротехникадағы материалдар пәнінен

Реферат-1

Тақырыбы : Диэлектрлік шығындар

Орындаған: Жұмабекұлы Беглан
Топ студенті: ЭЭ-207К
Тексерген: Дюсенбаев Т.С

Жоспар
Кіріспе
Негізгі бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
2.1 Диэлектрлік шығындар табиғаты ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
2.2 Диэлектрлік шығындардың негізгі мәліметтері ... ... ... ... ... ... ... 9
2.3 Оқшауланған заттардағы диэлектрлік шығындардың түрлері ... ... .. 12
2.4 Газдардағы диэлектрлік шығындар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 14
2.5 Сұйық заттардағы диэлектрлік шығындар ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
2.6 Қатты диэлектриктердегі диэлектрлік шығындар ... ... ... ... ... ... 19
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 20
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... . 21

Кіріспе
Қатты диэлектриктердің электр өткізгіштігі. Электрлік өткізгіштік (электр өткізгіштігі) - бұл дененің электр тоғын өткізу қасиеті. Электр өткізгіштігі бойынша барлық қатты денелерді үш үлкен топқа бөлуге болады: металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер. Соңғылары іс жүзінде электр тоғын өткізбейді, оларды электр оқшаулағыш ретінде қолданады. Электр өткізгіштікке материалдағы қоспа мен ақаулар үлкен әсерін тигізеді. Диэлектриктердің Eg тыйым салынған аймағының ені үлкен болғандықтан, бөлме температурасы мен төмен температураларда электрондар валентті аймақтан өткізгіштік аймағына іс жүзінде түспейді. Диэлектрикте бос тасымалдаушылар шоғырлануы мүлде аз, ал өзінің өткізгіштігі тым аз.
Диэлектриктік шығындар -- диэлектрикке электр өрісі әсер еткенде одан ыдырайтын қуат. Синусоидалы электр өрісінде Диэлектриктік шығындар диэлектриктік шығындардың тангенс бұрышымен сипатталады. Диэлектриктік шығындар бұрышы β деп зертгелетін тізбектегі ток пен кернеу арасындағы фаза ығысуын pi2-ге толықтыратын бүрышты айтады. tgβ-ның мөні электр өрісі тербелісінің бір периодында қайтымсыз жылуға айналатын (диэлектрикте шығындалатын) электр энергиясының үлесін көрсетеді.
Диэлектрикте шығындар айнымалы ток та да, тұрақты ток та да байқалады. Өйткені материалда өткізгіштікпен негізделген тура ток пайда болады. Тура өткізгіштік тогын актив ток деп атайды. Ол диэлектриктің қызуын тудырып, диэлектрлік шығындарды анықтайды. Тұрақты кернеу кезінде, периодты поляризация болмағанда, диэлектрик материалдың сапасы к және б кедергілерімен сипатталады. Айнымалы кернеу кезінде, тура электрөткізгіштіктен басқа, диэлектрикте энергия жоғалтуына әкеліп соғатын себептер пайда болады.
Диэлектриктегі шығындар шамасы таралатын қуаттың көлем бірлігіне қатынасымен, яғни меншікті шығынмен сипатталады. Энергияны тарататын қасиетін анықтайтын диэлектрикті сипаттау үшін көбінесе диэлектрлік шығындар бұрышымен және диэлектрлік шығын бұрышының тангенсімен tg қолданады.
Диэлектрлік шығындар бұрышы деп актив - сыйымдылықты тізбекте ток пен кернеу арасындағы фазалар ығысуын 90˚-қа толықтыратын бұрышты айтады.
Идеал диэлектрик болған жағдайда диэлектрик арқылы тек ығысу тогы жүреді. Өткізгіштік ток 0-ге тең. Бұл жағдайда = 90˚ и ˚. Диэлектрик энергияны неғұрлым көп таратса, бұрышы соғұрлым аз және бұрышы соғұрлым көп. Оқшауламада үлкен диэлектрлік шығынды қатты жылыту тудырады, және де жылулық жойылуға әкеліп соға алады. Диэлектрлік шығындардың табиғаты әртүрлі және заттың агрегаттық күйіне байланысты: газ, сұйық, қатты.

Негізгі бөлім
2.1 Диэлектрлік шығындар табиғаты
Диэлектриктің шығындар деп диэлектриктің қызуын тудыратын электрлік өрістің әсерінен диэлектрикте уақыт бірлігінде таралатын энергияны айтады.
Диэлектриктік шығындар -- диэлектрикке электр өрісі әсер еткенде одан ыдырайтын қуат. Синусоидалы электр өрісінде Диэлектриктік шығындар диэлектриктік шығындардың тангенс бұрышымен сипатталады. Диэлектриктік шығындар бұрышы β деп зертгелетін тізбектегі ток пен кернеу арасындағы фаза ығысуын pi2-ге толықтыратын бүрышты айтады. tgβ-ның мөні электр өрісі тербелісінің бір периодында қайтымсыз жылуға айналатын (диэлектрикте шығындалатын) электр энергиясының үлесін көрсетеді.
Диэлектрикте шығындар айнымалы ток та да, тұрақты ток та да байқалады. Өйткені материалда өткізгіштікпен негізделген тура ток пайда болады. Тура өткізгіштік тогын актив ток деп атайды. Ол диэлектриктің қызуын тудырып, диэлектрлік шығындарды анықтайды. Тұрақты кернеу кезінде, периодты поляризация болмағанда, диэлектрик материалдың сапасы v және s кедергілерімен сипатталады. Айнымалы кернеу кезінде, тура электрөткізгіштіктен басқа, диэлектрикте энергия жоғалтуына әкеліп соғатын себептер пайда болады.
Диэлектриктегі шығындар шамасын тарататын қуаттың көлем бірлігіне қатынасымен, яғни меншікті шығынмен сипатталады. Энергияны тарататын қасиетін анықтайтын диэлектрикті сипаттау үшін көбінесе диэлектрлік шығындар бұрышымен және диэлектрлік шығын бұрышының тангенсімен tg қолданады.
Диэлектрлік шығындар бұрышы деп актив - сыйымдылықты тізбекте ток пен кернеу арасындағы фазалар ығысуын 90˚-қа толықтыратын бұрышты айтады.
Идеал диэлектрик болған жағдайда диэлектрик арқылы тек ығысу тогы жүреді. Өткізгіштік ток 0-ге тең. Бұл жағдайда = 90˚ и ˚. Диэлектрик энергияны неғұрлым көп таратса, бұрышы соғұрлым аз және бұрышы соғұрлым көп. Оқшауламада үлкен диэлектрлік шығынды қатты жылыту тудырады, және де жылулық жойылуға әкеліп соға алады. Диэлектрлік шығындардың табиғаты әртүрлі және заттың агрегаттық күйіне байланысты: газ, сұйық, қатты.
2.2 Диэлектрлік шығындардың негізгі мәліметтері
Диэлектрлік шығындар деп, диэлектрикте электр өрісінің әсер етуінен таралатын, нәтижесінде диэлектрик қызатын энергияны атайды.
Диэлектрикте энергия шығындары айнымалы кернеуде де, тұрақты кернеу кезінде де байқалады, өйткені материалда өткізгіштікпен бейімделген өткізгіш тоқ жүреді. Тұрақты кернеуде периодты өрістену жоқ болған кезде, материалдың сапасы, жоғарыда айтылғандай, меншікті көлемдік және беттік кедергілермен сипатталады. Айнымалы кернеуде материал сапасының басқа бір сипаттамасын қолдану қажет, өйткені бұл жағдайда, өтпе электр өткізгіштігінен басқа, диэлектрикте энергия шығындарын келтіретін, бірқатар қосымша себептер туады.
Электр оқшауланған материалдағы диэлектрлік шығындарды таралатын қуаттың көлем бірлігіне қатысымен немесе меншікті шығындармен сипаттауға болады; көбінесе диэлектриктің электр өрісінде энергияны тарату қабілетін сипаттау үшін диэлектрлік шығындар бұрышын және де сол бұрыштың тангенсін қолданады.
Диэлектрлік шығындар бұрышы деп сыйымдылықтық тізбектегі тоқ пен кернеу арасындағы фазалар жылжуының бұрышын (φ) 900-қа дейін толықты-ратын бұрышты (δ) атайды. Идеалды диэлектрик жағдайында, мұндай тізбек-тегі тоқ векторы кернеу векторынан 900-қа алда болады, бұл кезде (δ) бұрышы нөлге тең болады. Жылуға ауысып өтетін, диэлектрикте таралатын қуат неғұрлым үлкен болса, соғұрлым фазалар бұрышының мәні төмен, (δ) бұрышы мен оның функциясы tgδ жоғары болады.
Электроқшауланған материалдың диэлектрлік шығыны өте зор болса осы материалдан жасалған бұйым қатты қызады да, жылулық бұзылуына әкеліп соғады. Кернеудің мөлшері жоғары болмаған кезде, сол кернеудің әсерінен үлкеймей, диэлектрикті қыздырмаса да, үлкен диэлектриктік шығындар тербелмелі контурдың активтік кедергісін өсіріп жіберуі мүмкін, ол жағдайда бәсеңдеу (өшу) мөлшері ұлғаяды.
Электроқшауланған материалдың диэлектрлік шығындарының табиғаты, заттың агрегатты күйіне байланысты әртүрлі. Диэлектрлік шығындар өтпе тоғымен немесе өрістену құбылысын қарастыру кезінде аталып өткен өрістену тоқтарының активті құрастырушыларымен бейімделеді. Диэлетриктің өрістенуімен байланысты диэлектрлік шығындарды оқып білу кезінде бұл құбылысты берілген диэлектригі бар, конденсатор астарындағы электр зарядтың, конденсаторға келтірілген кернеуден тәуелділігін көрсететін қисықтар түрінде құруға болады. Өрістену құбылысын келтіретін шығындардың болмауы кезінде зарядтың кернеуден тәуелділігі сызықты болады (1.а сурет) және де мұндай диэлектрик сызықты деп аталады. Егер сызықты диэлектрикте энергия шығындарымен байланысты баяуланған өрістену байқалса, онда зарядтың кернеуден тәуелділік қисығы эллипс түрін қабылдайды. Бұл эллипстің ауданы кернеудің бір периодта өзгерген кезіндегі диэлектрикпен қамтылатын энергия мөлшеріне пропорционалды (1.б сурет).

1 Сурет - Шығындарсыз (а) және шығынды (б) диэлектрик үшін зарядтың кернеуден тәуелділігі
Сызықты емес диэлектрик - сегнетоэлектрик жағдайында, зарядтың тәуелділік қисығы дәл магнитті материалдардағы гистерезис тұзағының сипатындай тұзақ түйін түрін көрсетеді және де бұл жағдайда тұзақ ауданы бір периодтағы энергия шығындарына пропорционалды.
Техникалық электроқшауланған материалды, өтпе электр өткізгіштіктің және баяуланған өрістенудің шығындарынан өзге, диэлектриктердің электрлік қасиеттеріне қатты әсер ететін диэлектрлік шығындар пайда болады. Бұл шығындар бір-бірінен оқшауланған, өткізгіштік немесе жартылай өткізгіш көміртегі, темір оксиді және т.б. қосылуларының бар болуымен анықталады және де электр оқшауланған материалды мұндай қоспалардың аз мөлшерде бар болған кезінде де маңызы зор.
Жоғары кернеуде диэлектриктегі шығындар, диэлектрик ішінде газды қосылулардың иондану нәтижесінде, әсіресе жоғары жиіліктерде жиі-жиі жүріп өтетін иондалу кезінде пайда болады.
Айнымалы кернеу тізбегінде орналасқан шығынды диэлектригі бар конденсаторға эквивалентті сұлбаны қарастырайық.
Бұл сұлбаны таңдау осы сұлбада тарайтын активті қуат конденсатордың диэлектригінде таралатын қуатқа тең, ал тоқ қарастырылған конденсатордікіндей кернеуді озып тұру керек. Қойылған сұрақты шешу үшін шығыны бар конденсаторды активті кедергімен тізбектелген идеалды конденсатормен немесе активті кедергімен шунтталған идеалды конденсатормен алмастыру керек.
Тізбектелген және параллелді сұлба 2 суретте көрсетілген. Сонымен қатар сұлбада сәйкесті тоқ пен кернеу диаграммалары көрсетілген. Тізбектелген және параллельді сұлбалар, егер де толық кедергілер z1=z2=z тең болса, олардың активті және реактивті құрастырушылары да тек сонда эквивалентті болады. Егер кернеуге ток ығысу бұрыштары (φ) тең және активті қуаттың мағынасы бірдей болса, бұл шарттар орындалады. Активті қуат Pa=UIcosφ екені белгілі Cs, Cp сыйымдылықтары φ бұрышын 90 градусқа дейін толықтыратын δ бұрышы арқылы өрнектейік. Өрнекпен сәйкесті векторлы диаграмманы қолдана отырып, тізбектелген сұлба үшін келесі тұжырымдаманы келтіруге болады.

2. Сурет - Шығынды диэлектриктің векторлы диаграммасы және эквивалентті сұлбасы

; (1 )

( 2 )

Параллельді сұлба үшін

( 3 )

( 4 )

(1) және (3) - пен, тағы да (2) және (4) теңестіріп, Ср және Сs - пен Чs және Чр - ның аралығындағы қатынастарды табамыз.

Жоғары сапалы диэлектриктер үшін Ср= Сs=С деп есептеуге болады, қуатты бұл жағдайда келесі формуламен өрнектейміз

мұндағы Ра - активті қуат, Вт;
U - кернеу, В;
ω - бұрыштық жиілік, с-1;
с - сыйымдылық, φ;
Меншікті диэлектрлік шығындардың, яғни диэлектрик бірлігінде таралатын қуаттың өрнегі келесі түрді көрсетіледі

мұндағы Р - меншікті шығындар, Втм3
Е - электр өрісінің кернеулігі, Вм
ω - бұрыштық жиілік, с-1;
Шынында да, қабырғасы 1 м кубтың қарама - қарсы жақтарының арасындағы сыйымдылық С1=ε0·ε, меншікті өткізгіштіктің реактивті құраушысы:

,
Активті құраушысы

Өрнектерден көрінеді, жоғары вольтты құрылғыларда, жоғары жиілікті аппаратурада, әсіресе жоғары вольтты, жоғары жиілікті құрылғыларда неге десең диэлектрлік шығынының мөлшері диэлектрикке қойылған кернеудің квадратына және өрістің жиілігіне пропорционалды болғандықтан, диэлектрлік шығынның мағынасы өте қажетті. Осы бұйымдарда қолданылатын заттардың диэлектрлік шығын бұрышының tgδ және диэлектрлік өтімділіктің мағынасы аз, төмен болу керек, әйтпесе диэлектрикте сейілетін қуаттың мөлшері өте жоғары болып, диэлектрик қызып, балқып кетуі мүмкін.

2.3 Оқшауланған заттардағы диэлектрлік шығындардың түрлері

Диэлектрлік шығындарды олардың ерекшеліктері және физикалық табиғаты бойынша төрт негізгі түрлерге бөлуге болады.
Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындар.
Өтпе электр өткізгіштікті диэлектрлік шығындар.
Ионизациялық диэлектрлік шығындар.
Құрылымның біртекті еместігімен бейімделген диэлектрлік шығындар.
Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындар релаксациялы өрістенулі заттарда анық бақыланады: дипольді құрылымды диэлектриктерде және иондардың орналасуы тығыз емес ионды құрылымды диэлектриктерде.
Релаксациялық диэлектрлік шығындар электр өрісі күшінің әсерінен бөлшектердің жылулық қозғалысының бұзылуынан болады. Осы бұзушылық диэлектрикте энергияның таралуына және диэлектриктің қызуына әкеліп соғады.
Релаксациялық диэлектрлік шығын бұрышы тангесінің температураға қатынасында осы қарастырған диэлектрикке сай, белгілі бір температурада максимум байқалады. Осы температурада диэлектрик бөлшектерінің релаксация уақыты айнымалы электр өрісінің өзгеру периодымен түйіседі. Егер де температураның мөлшері сондай болып, бөлшектердің релаксация уақыты берілген айнымалы кернеудің жарты периодының өзгеруінен көп болса, онда бөлшектердің жылулық қозғалысының интенсивтігі төмендейді және шығын азаяды.
Сегнеэлектриктерде бақыланатын диэлектрлік шығындар, спонтанды өрістену құбылысымен байланысты болады. Сондықтан сегнеэлектриктердегі шығындар, спонтанды өрістену өткенде, Кюри нүктесінен төмен темпера-туралар кезінде маңызды. Кюри нүктесінен жоғары температураларда сегнеэлектриктердегі шығындар төмендейді. Сегнеэлектриктің электрлік тозуы шығындарды төмендетуі ықтимал.
Өрістенумен бейімделген диэлектрлік шығындарға резонанстық шығындар жатады. Шығынның бұл түрі жарықтық жиіліктерде білінеді, көбінесе газдарда белгілі бір жиілікте электр өрісінің энергиясын жұтып алады. Резонанстық шығындарды кейбір қатты диэлектриктерде байқауға болады, егер де еріксіз тербелістердің жиілігі қатты дененің бөлшектерінің өзіндік тербелісінің жиілігінен түйіссе, tgδ - ның жиілікке қатынасында максимумының болуы мүмкін, бірақ та бұл максимум температураға тәуелді емес.
Өтпе электр өткізгіштікпен бейімделген диэлектрлі шығындар анық білінетін көлемдік немесе беттік электр өткізгіштігі бар диэлектриктерде табылады.
Шығынның бұл түрінде тангенс δ (tgδ) төмендегі формуламен шығарылады

,
мұнда f - Гц, ρ - Ом·м.
Бұл диэлектрлік шығын электр өрісінің жиілігіне тәуелсіз, tgδ жиілік өскен сайын гипербола заңымен төмендейді. Ал температура ұлғайған сайын экспонента заңымен келтіріледі.

мұнда А,в - материалдың тұрақты шамалары немесе осылай жазуға болады.

мұнда PаТ - температура t0
С - дағы шығын
P - О0 С - дағы шығын
α - тұрақты.
Иондану диэлектрлік шығындар газ тәрізді қалыптағы диэлектриктерге сипатты. Иондану шығындар берілген газдың иондануының басталуына сәй-кес келетін мәннен жоғары кернеуліктердегі біртекті емес электр өрістерде пайда болады.
Иондану шығындар келесі формула бойынша есептеледі:

мұндағы А - тұрақты коэффициент.
f - өріс жиілігі.
U - келтірілген кернеу.
Uи- ионданудың басталуына сәйкес келетін кернеу.
Келтірілген формула UUикезінде және tgδ=f(E) - шамасының сызықты тәуелділігі кезінде дұрыс орындалады.
Ионизациялық кернеу газдың қысымына байланысты, неге десең молекулалардың соққы ионизациясының дамуы зарядты тасымалдаушылардың еркін өту жолының ұзындығымен анықталады. Газдың қысымын ұлғайтқан сайын кернеу ионизациясының басталуы өседі.
Құрылымның біртекті еместігімен бейімделген диэлектрлік шығындар сіңдірілген қағазбен матадан жасалған қатпарлы диэлектриктерде, толтыр-ғышы бар пластмассаларда, ұсақ саңылаулы керамикада, слюдалар туынды-ларында және т.б байқалады.

2.4 Газдардағы диэлектрлік шығындар

Өріс кернеуліктері, газ молекулаларының соққы иондалуын дамыту үшін қажетті мәннен төмен болған кезде газдардағы диэлектрлі шығындар өте аз болады. Бұл жағдайда газды идеалды диэлектрик ретінде қарастыруға болады.
Газдарда диэлектрлік шығындарының бастамасы негізінен тек электр өткізгіштіктен бола алады, өйткені газдардың дипольді молекулаларының өрістенуі кезінде орналасуы диэлектрлік шығындарды тудырмайды.
Барлық газдар төмен электр өткізгіштікпен ерекшеленетіні белгілі және де осы себептен диэлектрлі шығындар бұрышы төмен болады, әсіресе жоғары жиіліктерде. tgδ - ның мағынасы формуламен саналады. Меншікті көлемдік кедергілері газдардың тең 1016 Ом·м, ε ≈1, tgδ жиілік 50 Гц - те 4·10-8
ден аз.
Жоғары кернеулерде біртекті емес өрісте, жекеше бөлімдердегі кернеулік кейбір мәндерден жоғарылаған ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.