Determinarea permitivitatii electrice si a factorului de pierderi la materialele electroizolante solide

Chestiuni de studiat :

Se vor utiliza valorile marimilor tg si _r pentru diferite materiale electroizolante si se vor compara cu cele din tabele (existente in indrumar sau in cursul tiparit). Determinarile se vor face la frecvente f=100 Hz si f=1 kHz.

2.Materiale utilizate :

1-Prespan   

2-Micanita 6-Rasina epoxidica

3-Textolit 7-Pertinax

4-Sticlotextolit 8-Polietilena

5-PVC plastificat 9-Sticla

3.Formule de calcul :

C₀=

C₀=capacitatea condensatorului cu aer avand configuratia geometrica identica cu cea a condensatorului de incercat;

A=aria suprafetei electrodului, cu diametru D=10 cm;

d=distanta dintre electrozi (egala cu grosimea probei);

C_r=C_x-C_c-C_p

_r

C_c=capacitatea cablului de masura; C_c=61 pF

C_r=capacitatea reala a condensatorului de masura;

C_p=capacitatea parazita; C_p=43 pF

ε_r=8.85*10^-12 F/m

RLC=220 V(~)

Calcule si rezultate experimentale:

Exemple de calcul

Pentru STICLA :

- calculul capacitatii reale a condensatorului C_r :

C_r= C_x-C_c-C_p

C_x = capacitatea masurata la bornele condensatorului

C_c= capacitatea cablului

C_p= capacitatea parazita

In urma masuratorilor, am obtinut

C_x=248 pF pt frecventa f= 100 Hz

C_x=225 pF pt frecventa f= 1000 Hz

C_p=43 pF

C_c=61 pF

Cu aceste date, am determinat valoarea capacitatii reale a condensatorului:

C_r= 248-61-43= 144 pF- pt f=1000 Hz

C_r= 225-61-43= 221 pF- pt f=100 Hz

Pentru calculul permitivitatii relative, folosim urmatoarele relatii de

calcul:

C₀=ε_0, unde :

A= aria suprafetei electrodului, cu diametrul D= 10 cm

d= distanta dintre electrozi, egala cu grosimea probei

deci: C₀=ε₀

Stim ca: , dar

=capacitatea condensatorului cu aer, avand configuratia geometrica

identica cu cea a condensatorului de incercat.

Pentru f=100 Hz, am determinat ε_r==

ε_r=permitivitatea relativa

Pentru f= 1000 Hz, _r

Pentru MICANITA, urmarind aceleasi etape, obtinem :

pentru f=100 Hz : C_{r r}

pentru f=1000 Hz : C_{r r}

Interpretarea rezultatelor.Observatii si concluzii

Valorile teoretice ale permitivitatilor si ale factorilor de pierderi pentru

materialele electroizolante studiate sunt urmatoarele :

Se observa ca valorile obtinute pe cale exeperimentala sunt apropiate de valorile teoretice. Apar, totusi, diferente, din cauza erorilor de masurare a grosimii probelor, aproximarii rezultatelor intermediare, "imbatranirii" materialelor si mai ales din cauza neuniformitatii grosimii probelor, ceea ce duce la aparitia unor capacitati suplimentare, in serie cu cele de masura. Diferentele intre rezultatele obtinute experimental si datele din tabel apar si din cauza frecventelor (in tabel: 50 Hz, experimental: 100 sau 1000 Hz).

Permitivitatea electrica caracterizeaza intensitatea fenomenelor de polarizare electrica si depinde de diversi parametri : tensiunea aplicata, temperatura, solicitarile mecanice ale corpului, starea de umiditate etc.

Influenta intensitatii campului electric : marind intensitatea campului electric, se obtin valori mai mari ale polarizatiilor (electrica, ionica, de orientare) si deci ale componentelor permitivitatii.

Influenta frecventei : in cazul frecventelor uzuale (0.10¹⁰ Hz), materialele nepolare nu prezinta variatii semnificative ale permitivitatii electrice, spre deosebire de materialele polare, la care, pentru frecvente de ordinul 10⁴-10⁶ Hz, e_r prezinta variatii importante.

Influenta temperaturii : polarizatia electronica este putin influentata de temperatura. In cazul corpurilor care prezinta doar polarizatie ionica, e_r creste cu temperatura, deoarece, prin intensificarea agitatiei termice, sunt favorizate deplasarile ionilor in campul electric. Materialele polare prezinta mai intai o crestere a permitivitatii, urmata de o scadere relativ importanta, ca urmare a intensificarii miscarii de agitatie termica a dipolilor moleculari.

Influenta presiunii : in cazul solidelor, presiunea prezinta interes doar pentru acele materiale la care, in decursul proceselor tehnologice, la variatii ale presiunii, apar modificari ale structurii, deci si a densitatii lor. Astfel, polietilena, la 300 K, are permitivitatea relativa e_r  2,276+2,01(d-920), unde d este densitatea corpului masurata in kg/dm³.

Influenta umiditatii : materialele izolante sunt caracterizate prin valori ale permitivitatii electrice inferioare celei a apei (e_r=81). Prin urmare, umezirea materialelor determina intotdeauna o crestere a permitivitatii electrice. Cum insa variatia lui e_r atinge o variatie similara a capacitatii condensatorului din care face parte, hartia de condensator se impregneaza (cu parafina), iar condensatoarele cu aer nu se utilizeaza in medii umede.

Factorul de pierderi : pierderile de energie dintr-un dielectric sunt proportionale cu factorul de pierderi tgd

Influenta frecventei : indiferent de tipul dielectricului, pentru valori ale frecventei care depasesc 10¹⁰ Hz, tgd ia valori foarte mici.

Influenta temperaturii : pentru anumite valori ale temperaturii, numite temperaturi critice, pierderile prin histerezis dielectric sunt mari (in functie de structura fizico-chimica a materialelor), in timp ce pierderile prin conductie sunt reduse.

Influenta umiditatii : apa din izolanti intensifica procesele de conductie electrica, producand astfel o crestere a pierderilor prin conductie electrica, deci cresterea umiditatii dielectricilor determina o crestere accentuata a factorului de pierderi.