Materily a technolgie 06 Nevodiv materily polarizcia dielektrk

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík Tematické okruhy Voľné a viazané náboje v izolantoch • koncentrácia, rýchlosť pohybu - ideálny izolant, reálny izolant • charakteristika izolantov neutrálne iónové kryštály nekryštalické látky dipólové izolanty • náboje po vložení do elektrického poľa /jednosmerné, striedavé) voľné náboje viazané náboje Elektrická vodivosť plynov • voľné nosiče náboja - kladné a záporné ióny, samostatné elektróny • ionizácia - nesamostatná a samostatná vodivosť • zánik ionizovaných častíc rekombinácia zánik na elektródach 1

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík Tematické okruhy • • • pohyblivosť ionizovaných častíc tepelné pole elektrické pole závislosť prúdu v plyne od napätia elektrická pevnosť plynov homogénne pole nehomogénne pole nárazová ionizácia fotoionizácia Elektrická vodivosť kvapalín • vodiče I. triedy - kvapalné a roztavené kovy • vodiče II. Triedy - roztavené soli = elektrolyty • izolanty • koloidné sústavy Elektrická vodivosť tuhých izolantov podľa typu izolantu 2

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík Tematické okruhy Polarizácia dielektrík • základné pojmy • základné druhy polarizácie elektrónová dipólová spontánna • klasifikácia izolantov podľa druhu polarizácie • závislosť polarizácie na teplote a frekvencii • permitivita izolantov • dielektrické straty • druhy dielektrických strát veličiny vyjadrujúce veľkosť dielektrických strát tepelná a frekvenčná závislosť dielektrických strát 3

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Voľné elektrické náboje: ióny elektróny Rozhoduje: koncentrácia (množstvo) nosičov náboja rýchlosť pohybu nosičov náboja Ideálny izolant - neobsahuje žiadne voľné náboje, jeho elektrický odpor je nekonečne veľký. Reálny izolant - nepatrné množstvo voľných nábojov, elektrický odpor má konečnú malú hodnotu. V izolantoch sa len zriedka vyskytujú voľné elektróny a elektrónová vodivosť. V prevažnej miere sa vyskytuje iónová vodivosť spôsobená pohybom voľných iónov. 4

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Charakteristika izolantov z hľadiska výskytu voľných a viazaných nábojov: Neutrálne izolanty: Ø kovalentné väzby bez dipólového momentu, Ø vlastný izolant nemôže disociovať na ióny, Ø voľné ióny vznikajú disociáciou molekúl niektorých nečistôt (s iónovými väzbami). Molekuly neutrálneho izolantu sú zložené z kladne nabitých jadier a záporných elektrónových obalov = viazané náboje. Iónové kryštály: Ø poruchové miesta v mriežke - vakancie, interstície, Ø cudzie ióny v medzimriežkovom priestore a ďalšie poruchy Ø pohyb porúch spôsobuje prenos náboja = elektrická vodivosť. Pravidelná kryštalická mriežka je tvorená iónmi uloženými v uzlových polohách = viazané náboje. 5

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Charakteristika izolantov z hľadiska výskytu voľných a viazaných nábojov: Nekryštalické (amorfné) látky: Ø hlavne anorganické sklá (iónové vlastnosti) - sieťovina ako komplexný záporný ión (nie je voľný), Ø v dutinách uložené kladné ióny (jedno a dvojmocné kovy) - prevažne uzavreté (viazané), Ø len malá časť má obmedzenú možnosť pohybu cez dutiny - prejavuje sa ako voľné náboje. Dipólové izolanty: Ø molekuly z dipólovými kovalentnými väzbami - prechod medzi nepolárnou kovalentnou a iónovou väzbou Ø v malej miere môžu disociovať na ióny (voľné náboje z vlastného izolantu) - rozhoduje veľkosť dipólového momentu Ø voľné náboje z nečistôt dipólového charakteru - horšie sa odstraňujú ako u neutrálnych látok - napr. katalyzátory pri výrobe živíc. 6

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Pohyb voľných i viazaných nábojov v jednosmernom elektrickom poli v Voľné náboje - registrujeme ako elektrickú vodivosť. v Viazané náboje - hromadenie náboja na elektródach – polarizácia izolantu. Popis javov v izolante po pripojení a odpojení (skratovaní) jednosmerného napätia: uvažujeme veľké množstvo viazaných a nepatrné množstvo voľných nábojov 7

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Pohyb voľných i viazaných nábojov v jednosmernom elektrickom poli ― pred pripojením napätia - molekuly, atómy, ióny = tepelný pohyb - translačný, kmitavý, kombinovaný. ― v okamihu pripojenia napätia - na tepelný pohyb sa superponuje pohyb voľných i viazaných nábojov v smere elektrického poľa: viazané náboje - vysunutie z rovnovážnych polôh na vzdialenosť, kde sa vyrovnajú sily od vonkajšieho poľa (ďalej sa nepohybujú, pokiaľ sa nemení vonkajšie pole) - prejaví sa ako časovo premenná zložka prúdu - vysoká hodnota pripojení, rýchlo klesá s časom - zastavenie pohybu viazaných nábojov. voľné náboje - pomaly sa pohybujú materiálom, pri dostatočne dlhom čase sa dostanú cez celú hrúbku materiálu - časovo nepremenná zložka prúdu 8

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Pohyb voľných i viazaných nábojov v jednosmernom elektrickom poli ― v okamihu odpojenia napätia - skratovanie kondenzátora - zaniká elektrické pole v izolante: Ø viazané náboje sa vracajú do pôvodných polôh účinkom vnútorných síl - prejaví sa ako vybíjací prúd kondenzátora - rýchlo klesá k nule Ø voľné elektrické náboje zostanú tam, kde sa práve nachádzali - pokračujú len v chaotickom tepelnom pohybe. ― časovo premenná zložka prúdu = absorpčný, polarizačný prúd - čas trvania tejto zložky prúdu súvisí s rýchlosťou posunu (orientácie) viazaných nábojov - je rôzny podľa druhu viazaných nábojov (druhu polarizácie) ― časovo nepremenná zložka prúdu = vodivostný, ohmický, presakujúci prúd veľkosť podľa koncentrácie a rýchlosti pohybu voľných nosičov náboja. 9

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÉ NÁBOJE V IZOLANTOCH Pohyb voľných i viazaných nábojov v striedavom elektrickom poli Intenzita elektrického poľa v izolante neustále mení - náboje sa vždy pohybujú v smere tohto poľa: viazané náboje - narastanie a klesanie napätia v okamihu vrcholovej hodnoty sú v krajnej polohe, smer pohybu viazaných nábojov sa obracia pri vrcholovej hodnote napätia - prúd vo vonkajšom obvode (ktorým sa prejavuje pohyb viazaných nábojov) je nulový práve v tomto bode a maximálny, keď napätie prechádza nulou - kapacitný prúd - posunutý o 90° elektrických pred priebeh napätia. voľné náboje - pohyb vyvolaný zmenou napätia sa prejaví vo vonkajšom obvode okamžitou zmenou prúdu - vodivostný prúd je vo fáze s napätím. 10

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ PLYNOV Vodivosť nepatrná - podstatne menšia ako u ostatných izolantov Elektrický prúd - pohyb kladných a záporných iónov a elektrónov v elektrickom poli, ktoré vznikajú ionizáciou neutrálnych molekúl plynu - odtrhnutie elektrónov od neutrálnej molekuly: záporné ióny - spojenie elektrónu s neutrálnou molekulou kladné ióny - pozostatok neutrálnej molekuly po odtrhnutí elektrónov samostatné elektróny - záporné náboje Ionizácia vzniká pôsobením krátkovlnného elektromagnetického žiarenia, nárazmi ionizovaných častíc do neutrálnych molekúl - röntgenové, ultrafialové, kozmické, rádioaktívne (korpuskulárne i vlnové), vysoká teplota plynu. Nesamostatná vodivosť - elektrický prúd tvoria elektricky nabité častice vytvorené pôsobením vonkajších faktorov - pri ich odstránení zaniká Samostatná vodivosť - po vzniku nárazovej ionizácie (nad určitou hodnotou intenzity elektrického poľa) - nárazom elektricky nabitých častíc sa rozpadajú neutrálne molekuly, spôsobená účinkom elektrického poľa 11

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ PLYNOV Zánik ionizovaných častíc Rekombinácia • zánik pri vzájomných zrážkach kladne a záporne nabitých častíc • iónová rekombinácia - kladný a záporný ión, elektrón prejde zo záporného iónu na kladný = vznik dvoch neutrálnych molekúl • elektrónová rekombinácia - kladný ión a elektrón = vznik neutrálnej molekuly, uvoľnenie energie vo forme žiarenia - elektróny majú rôzne rýchlosti = energie → spojité spektrum žiarenia Zánik častíc na elektródach • elektrón prechádza do kovu a obvodom sa dostáva k druhej elektróde, uvoľní sa energia vo forme tepla a žiarenia • kladný ión - neutralizácia elektrónom s katódy, vzniká neutrálna molekula a vracia sa do priestoru medzi elektródami, uvoľnená energia sa prejaví vznikom tepla alebo môže slúžiť na uvoľnenie sekundárnych elektrónov z katódy. • zánik častíc na kovových i nekovových povrchoch (stenách) priestoru zachytenie a po čase rekombinácia s ďalšou časticou, odraz. 12

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ PLYNOV Pohyblivosť ionizovaných častíc Súčet tepelného pohybu a pôsobenia elektrického poľa, hodnota súvisí zo závislosťou strednej rýchlosti pohybu od intenzity elektrického poľa. pohyb v elektrickom poli - zrážky nabitých častíc s neutrálnymi molekulami, - medzi dvoma zrážkami konštantné zrýchlenie v smere poľa - dráhy častíc sú zložené z parabol. Teoreticky vypočítaná pohyblivosť častíc súvisí s hmotnosťou a polomerom častíc aj s polomerom neutrálnych molekúl = pohyblivosť elektrónov je asi 10 3 x väčšia ako kladných iónov. E E Dráha pohybu elektrónu v plyne pri pôsobení elektrického poľa 13

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ PLYNOV Závislosť prúdu v plyne od napätia 1. oblasť platnosti Ohmovho zákona - ióny vznikajúce účinkom vonkajších činiteľov I zanikajú rekombináciou, ich koncentrácia závisí od napätia - prúd je úmerný napätiu, 2. oblasť nasýteného prúdu - ióny vznikajú účinkom vonkajších ionizačných činiteľov a zanikajú neutralizáciou na elektródach - koncentrácia iónov je tým nižšia, čím vyššie je 2 1 3 E napätie - prúd je nezávislý od napätia, odpor s Ekr napätím rastie - prúd je úmerný vzdialenosti elektród - so vzdialenosťou rastie úmerne. 3. oblasť nárazovej ionizácie - hranica intenzity elektrického poľa pre vznik nárazovej ionizácie v plyne je rádove 10 k. V/cm - samostatná vodivosť. 4. Elektrická pevnosť: 14

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ PLYNOV Schéma lavínovitého narastania počtu voľných elektrónov a iónov postupujúcou nárazovou ionizáciou spôsobenou jediným elektrónom vyrazeným z elektródy fotónom A C B D Schematické znázornenie rastu striméra pri preskoku v plyne 15

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ KVAPALÍN Izolantmi sú len kvapaliny s kovalentnými väzbami - ostatné sú vodičmi druhej triedy (roztavené soli - elektrolyty) alebo vodičmi prvej triedy (kvapalné a roztavené kovy). Neutrálne kvapaliny - nemajú dipólové momenty, vodivosť súvisí s prítomnosťou disociovaných prísad a s prítomnosťou vody - napomáha disociácii nečistôt iónového charakteru Dipólové kvapaliny - slabé dipólové momenty - disociácia vlastného izolantu, disociácia nečistôt, obsah vody Pohyblivosť elektricky nabitých častíc v kvapalinách je pomerne veľká = aj pri ich nízkej koncentrácii je elektrická vodivosť veľká - dokonale odstrániť nečistoty nie je ľahké. 16

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ KVAPALÍN Elektrická vodivosť podstatne závisí od teploty: • vzrastá pohyblivosť (zníženie viskozity), • zvyšuje sa exponenciálne koncentrácia (stupeň disociácie), veľmi vysoké intenzity elektrického poľa: 104 až 105 V/cm - zvyšuje sa koncentrácia iónov vplyvom účinkov elektrického poľa I E V koloidných sústavách: (emulzia = kvapalina v kvapaline, suspenzia = tuhá látka v kvapaline) • koloidné častice sú elektricky nabité, pohybujú sa v kvapaline • elektroforézna vodivosť (nevylučuje sa látka na elektródach, mení sa koncentrácia koloidných častíc v rôznych vrstvách kvapaliny - emulgovaná voda, vlákna celulózy, živičné a smolnaté produkty starnutia). 17

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ TUHÝCH LÁTOK Ø Ø Ø pohyb iónov vlastného izolantu, pohyb iónov prímesí, výnimočne prítomnosť voľných elektrónov - veľmi silné elektrické pole. Iónová vodivosť je spojená s prenosom látky = dlhodobé pôsobenie jednosmerného prúdu: Ø vylúčenie iónov nečistôt na elektródach Ø vyčistenie izolantu. Charakter voľných nosičov náboja v jednotlivých skupinách izolantov bol popísaný na začiatku prednášky: • neutrálne izolanty • iónové amorfné látky 18

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík ELEKTRICKÁ VODIVOSŤ TUHÝCH LÁTOK ELEKTRICKÝ PRIERAZ PEVNÝCH IZOLANTOV Mechanizmy prierazu: p hlavné základné formy prierazu: Ø čisto elektrický prieraz Ø tepelný prieraz podmienené vlastnosťami izolantu a podmienkami, pri ktorých sa prieraz uskutočňuje 3 ďalšie formy prierazu: Ø chemická (elektrochemickú) forma 2 prierazu 1 Ø prieraz spôsobený výbojmi v dutinách dielektrika (ionizácia) – čiastkové 0 1´ 1 2 3 výboje v izolante. Závislosť množstva tepla vznikajúceho vo vzorke izolantu pri rôznych napätiach (krivky 1, 2, 3) a množstva tepla odvádzaného do okolia (priamka) od teploty 19

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Izolant - schopnosť izolovať vodivé časti zariadení s rôznymi potenciálmi - veľmi malá merná elektrická vodivosť, veľmi malé množstvo voľných elektrických nábojov - všetky izolanty sú aj dielektrikami. Dielektrikum - schopnosť polarizovať sa v elektrickom poli - polarizovateľnosť. Rozhoduje množstvo voľných nosičov nábojov - prekrytie polarizácie vodivostnými javmi. Polarizácia - fyzikálny jav, pri ktorom sa pôsobením vonkajšieho elektrického poľa a pôsobením vnútorných síl posúvajú (premiestňujú) alebo natáčajú (orientujú) viazané elektrické náboje v dielektriku. Polarizovateľnosť - základná fyzikálna vlastnosť materiálov - dielektrík - jej mierou je permitivita dielektrika a činiteľ dielektrických strát. Permitivita - miera polarizácie - súčin permitivity vákua a relatívnej permitivity. Dielektrické straty - energia premenená na teplo vplyvom vodivostných a polarizačných javov v dielektriku. 20

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Druhy polarizácie: Skupina polarizácií I deformačné (pružné, rýchle) II relaxačné (tepelné, orientačné) III objemové IV V Polarizácia 1. elektrónová 2. iónová 3. dipólová 4. iónová relaxačná 5. medzivrstvová 6. vysokonapäťová 7. spontánna (samovoľná) 8. rezonančná 21

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Mechanizmus polarizácií: Elektrónová polarizácia - + D - - + + D 22

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Mechanizmus polarizácií: Dipólová polarizácia - - + + + - + - + + + - - - + - + - 23

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Každá z polarizácií sa prejaví určitým prírastkom náboja na doskách kondenzátora - zvýšenie kapacity 24

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK ZÁKLADNÉ VZŤAHY A VELIČINY Doskový kondenzátor Ø konštantné napätie U Ø na elektródach s plochou S sa vytvorí náboj Q Ø plošná hustota náboja je = Q/S Ø kapacita kondenzátora bude C = U/S kondenzátor má kapacitu 1 farad, ak sa nabije nábojom 1 coulomb na napätie 1 volt. Ø najmenšiu kapacitu má kondenzátor s vákuom - C 0 - náboj Q 0 Ø plošná hustota voľného náboja 0 = Q 0 /S Ø ak vložíme dielektrikum, kapacita vzrastie na kapacitu C: C = r. C 0, r je relatívna permitivita náboj sa zväčší o Q = Q – Q 0 viazaný náboj kondenzátora Ø plošná hustota viazaného náboja = Q/S 25

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK POLARIZÁCIA DIELEKTRIKA = absolútna hodnota sa rovná plošnej hustote viazaného náboja - má smer intenzity poľa vytvoreného dielektrikom vektor elektrickej indukcie je vektor elektrickej indukcie kondenzátora bez dielektrika, 0 = 8, 85. 10 -12 F/m - permitivita vákua, je vektor vonkajšieho elektrického poľa Pre izotropné dielektriká - polykryštalické materiály, kvapaliny a plyny – vektory a rovnobežné a po úprave platí: dielektrická susceptibilita číselne sa rovná podielu viazaného a voľného náboja. 26

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Polarizácie súvisia s frekvenciou elektrického poľa • prebiehajú len po určitú frekvenciu • pri vyšších frekvenciách nestačia sledovať viazané náboje zmenu elektrického poľa • pre každý typ polarizácie platí iná kritická frekvencia 27

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Klasifikácia izolantov podľa druhu polarizácie Neutrálne izolanty: • len kovalentné väzby - dipólový moment nulový • len elektrónová polarizácia: kyslík, dusík, vodík, benzén, transformátorový olej, parafín, polystyrén, . . . ). • relatívna permitivita je úmerná počtu častíc v objemovej jednotke platí Clausiusova - Mozottiho rovnica: 0. . . polarizovateľnosť častice n 0. . . počet častíc v jednotke objemu p. . . merná polarizácia Dipólové izolanty: • kombinácia kovalentnej a iónovej väzby z dipólovými momentmi • elektrónová a dipólová polarizácia • organické kvapalné, polotekuté a pevné izolanty (kompaundy, živice, celulóza, chlórované uhľovodíky, . . . ) 28

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Iónové kryštály: aj iónové polykryštalické látky polarizácia elektrónová a iónová deformačná - Na. CI, sľuda, Iónové látky amorfné: polarizácia elektrónová, iónová a iónová relaxačná keramické materiály so sklennou fázou, . . . Seignetoelektríká: polarizácia elektrónová, iónová a spontánna feroelektriká (titaničitan barnatý) 29

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Permitivita izolantov Plyny: • malá hustota = malá polarizácia, • malá relatívna permitivita blízka jednotke. • zmeny permitivity súvisia so zmenami teploty a tlaku - zmena koncentrácie molekúl. Kvapaliny: • kovalentná väzba bez alebo s malým dipólovým momentom, Ø neutrálne - relatívna permitivita neprevyšuje hodnotu 2, 5, nezávisí od frekvencie, nezávisí od teploty (len zmena koncentrácie) Ø dipólové - relatívna permitivita súvisí s veľkosťou dipólového momentu, s rýchlosťou pohybu molekúl (viskozita, teplota), s počtom molekúl v jednotke objemu - hodnota sa pohybuje do 80 -100. 30

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK Tuhé izolanty - široké rozmedzie podľa rozličných štruktúrnych typov. • neutrálne Ø len elektrónová polarizácia, Ø hodnota permitivity pomerne malá -1, 8 -2, 5; Ø frekvenčne a teplotne (rozťažnosť) nezávislá Ø výnimky - diamant 5, 6, kremík 12, 5, germánium 16, atď. , . • iónové kryštály Ø elektrónová a iónová polarizácia, Ø permitivita v širokých medziach - Na. CI -6, Al 2 O 3 -10, Ti. O 3 -110, atď. • dipólové Ø elektrónová a dipólová polarizácia Ø tepelná závislosť má zložitý priebeh (zmena viskozity, zmena tepelného pohybu), Ø frekvenčne nezávislé po určitú hranicu Ø hodnoty v jednotkách: polymetalmetakrylát - 4, 5 (plexisklo), celulóza - 6, 5, fenol-formaldehydová živica - 4, 5, atď. 31

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík POLARIZÁCIA DIELEKTRÍK • iónové amorfné Ø elektrónová, iónová a iónová relaxačná polarizácia Ø hodnoty 4 -10, anorganické sklá - tavený kremeň - 4, 5, alkalické sklo - 6, 5, báriové sklo-10, atď. • seignetoelektriká – feroelektriká Ø elektrónová, iónová a spontánna polarizácia Ø veľmi vysoké hodnoty 1000 -10000 a vyššie, Ø veľmi závislá od teploty, frekvencie, napätia, atď. - Ba. Ti. O 3. 32

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík DIELEKTRICKÉ STRATY Proces premeny časti elektrickej energie na teplo pôsobením elektrického poľa. • množstvo energie premenené za jednotku času na teplo - dielektrické straty, • množstvo energie premenené na teplo za jednotku času v jednotke objemu - merné dielektrické straty. Ø dielektrické straty vyjadrujeme vo wattoch [W], Ø merné dielektrické straty vo wattoch na meter kubický [W. m-3] Pod účinkom elektrického poľa sa v izolačných materiáloch pohybujú viazané náboje (polarizácia) a voľné náboje (vodivosť). Pohyb všetkých nábojov prispieva k vzniku tepla (okrem bezstratových polarizácií). • Jednosmerné napätie - dielektrické straty spôsobené vodivosťou materiálu. • Striedavé napätie - okrem vodivostnej zložky aj polarizačná a ionizačná zložka dielektrických strát. 33

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík DIELEKTRICKÉ STRATY Druhy dielektrických strát: • vodivostné - vyskytujú sa vo všetkých izolantoch - voľné elektrické náboje, • polarizačné - spôsobujú ich polarizácie, ktoré sú spojené so stratou energie, • ionizačné - spôsobujú ich ionizačné procesy v plynových dutinkách izolantov pri vyšších intenzitách elektrického poľa. tg = tg v + tg p + tg i Veličiny vyjadrujúce veľkosť dielektrických strát: • jednosmerné napätie: Ø odpor (vodivosť) izolácie Ø merný odpor (merná vodivosť) • striedavé napätie: Ø činiteľ dielektrických strát tg , kde je doplnkový uhol k uhlu fázového posunu medzi vektorom napätia a vektorom prúdu v izolante 34

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík DIELEKTRICKÉ STRATY Druh dielektrických strát I. Polarizačné Hlavné znaky Druh izolantu a. relaxačné, t. j. dipólové a iónovo-relaxačné, Existencia maxima strát závislého od teploty a frekvencie Dipólové kvapalné a pevné izolanty, iónové látky amorfné. b. straty pri objemovej polarizácii, Zložitá závislosť strát od zložiek dielektrika a náhodných prímesí Nehomogénne izolanty. c. rezonančné, Existencia výrazného maxima pri Všetky druhy izolantov. niektorej frekvencii, poloha ktorej nezávisí od teploty d. straty pri spontánnej polarizácii. Straty sú veľmi veľké. V oblasti Seignetoelektrická Curieho teploty náhly pokles strát. (feroelektrická). II. vodivostné. Merné dielektrické straty nezávisia od frekvencie, tg so vzrastom frekvencie klesá hyperbolicky, s teplotou rastie exponenciálne Kvapalné a tuhé izolanty s výraznou elektrickou vodivosťou. III. ionizačné. Vyskytujú sa pri napätí vyššom, ako Plynné izolanty a tuhé izolanty s je napätie ionizačné. plynovými dutinkami. 35

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík DIELEKTRICKÉ STRATY Súvislosť medzi dielektrickými stratami a činiteľom dielektrických strát výkon striedavého prúdu: pre malé uhly: cos = tg doskový kondenzátor: [W] merné dielektrické straty: [W. m-3] 36

Materiály a technológie 06 Nevodivé materiály, polarizácia dielektrík a) b) DIELEKTRICKÉ STRATY Teplotná a frekvenčná závislosť činiteľa dielektrických strát tg a relatívnej permitivity r. c) e) d) a, b – vodivostná zložka dielektrických strát c, d – polarizačná zložka dielektrických strát e, f – súčet vodivostnej a polarizačnej zložky f) 37