電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下, 一部分電能轉化為熱能的消耗稱(chēng)為介質(zhì)損耗。
產(chǎn)生介質(zhì)損耗的原因有, ① 聚合物中所含的引發(fā)劑、增塑劑、水分等雜質(zhì)產(chǎn)生漏導電流, 使部分電能轉化為熱能, 稱(chēng)為歐姆損耗, 這是引起非極性聚合物介質(zhì)損耗的主要因素;② 由于內摩擦阻力, 偶極子轉動(dòng)取向滯后于交變電場(chǎng)的變化, 偶極子受迫轉動(dòng), 吸收部分電能轉化為熱能, 這是偶極損耗, 它的大小決定于偶極極化的松弛特性, 它是極性聚合物介質(zhì)損耗的主要原因。
高聚物
1) 分子結構的影響
決定高聚物介質(zhì)損耗大小的內在原因, 一個(gè)是高聚物極性的大小和極性基團的密度; 另一個(gè)是極性基團的可動(dòng)性。
高聚物分子極性越大, 極性基團的密度越大, 則介質(zhì)損耗越大。非極性高聚物tgδ 一般在10^-4數量級, 而極性高聚物的tgδ 一般在10^-2數量級。極性基團在分子鏈中位置不同影響也不同時(shí), 一般在側鏈上的極性基團上較主鏈上的極性基團活動(dòng)性大, 影響也大些。部分高聚物的介質(zhì)損耗見(jiàn)下表。
部分高聚物的介質(zhì)損耗
注: 橡膠為103 Hz 時(shí)的測定值, 其余為50Hz 時(shí)的測定值。
2) 頻率
在交變電場(chǎng)中, 這種極化產(chǎn)生的介質(zhì)損耗與頻率關(guān)系相當復雜, 理論分析得
從上式可見(jiàn):
當ω→0 時(shí), 也就是低頻區域, ε′→ε0 (ε0: 直流電場(chǎng)中的介電常數), ε″→0。即一切極化都有充分時(shí)間, 都跟得上電場(chǎng)的變化。因而介電常數達到最大值, 介質(zhì)損耗最小, 幾乎無(wú)損耗。
當ω→∞, 也就是在光頻區域, 則ε′→ε∞ , ε″→0, 由于頻率太高, 偶極子由于慣性,來(lái)不及隨電場(chǎng)變化, 只有電子極化和原子極化, 因而ε′不大, 損耗也很小。
在介電常數變化較快的頻率范圍區域, 也稱(chēng)反常色散區域, 對應ε′變化最快的一點(diǎn)(ωτ =1), ε″出現極大值:
溫度升高時(shí), ε″極大值移向高頻, 如下圖所示。
頻率對介電性能的影響t1 < t2 < t3
關(guān)于介質(zhì)在電場(chǎng)中極化討論知道, 不同的極化所需要的時(shí)間長(cháng)短不同。隨電場(chǎng)頻率的增加, 各種極化過(guò)程將在不同的頻率范圍內先后出現跟不上電場(chǎng)變化的情況, 因而使ε″出現一個(gè)極值; 相應地, 由于各種極化過(guò)程先后不能完一全進(jìn)行而對介電常數不再有貢獻, 因而ε′出現一個(gè)階梯形的降落,如下圖所示:
ε′(t), ε″(t) 與ω 的關(guān)系
3) 溫度
對于非極性高聚物, 介電常數隨溫度上升, 略有下降, 如下圖所示。由于電子極化和原子極化均不受溫度的影響。由于熱膨脹, 單位體積的極化減少。因此, 隨溫度上升, 介電常數ε 略有下降。
非極性高聚物的ε'(t)ε″(t) 與t關(guān)系
對于極性高聚物, 溫度升高, 高聚物的黏度隨之改變, 因而介質(zhì)極化建立過(guò)程所需要的時(shí)間也起變化。對于一個(gè)固定頻率, 溫度太低時(shí), 介質(zhì)黏度過(guò)大, 極化過(guò)程建立太慢, 甚至偶極轉向完一全跟不上電場(chǎng)的變化, 因此ε′小, ε″也小。隨著(zhù)溫度的升高, 介質(zhì)的黏度減少,偶極可以隨電場(chǎng)變化而轉向, 但又不完一全跟得上, 因此ε′增大, ε″也增大; 當溫度升高到足夠高后, 偶極轉向已完一全跟得上電場(chǎng)變化, 因此ε′增至最大, 而ε″變得小了。從下圖可以看出, ε″在固定頻率上與溫度的關(guān)系, 類(lèi)似與在一定溫度下ε″與頻率的關(guān)系。
EVA 的ε′(t)、ε″(t) 與t 的關(guān)系
溫度對取向極化有兩種相反的作用, 一方面溫度升高, 分子間相互作用減弱, 黏度下降, 偶極轉向能夠進(jìn)行, 使極化加強; 另一方面, 溫度升高了, 分子熱運動(dòng)加劇, 對偶級取向干擾增大, 反而不利于偶極取向, 使極化減弱。因而極性高聚物的介電常數隨溫度的變化, 要視這兩個(gè)因素的消長(cháng)而定。對一般高聚物來(lái)說(shuō), 在溫度不太高時(shí), 前者占主導地位,因而溫度升高, 介電常數升高, 到一定溫度后, 后者影響超過(guò)前者, 介電常數隨溫度升高,介電常數下降。
此外, 造成介質(zhì)損耗的另一個(gè)因素是漏導電流隨溫度上升按指數規律增加, 因此當溫度足夠高時(shí), 它就可能成為主要的損耗了。
4) 增塑劑
加入增塑劑, 能使高聚物分子的活動(dòng)性增強, 使取向極化容易進(jìn)行, 相當于溫度升高的效果。在頻率不高時(shí), 增塑劑加入使介質(zhì)損耗增加, 如下圖所示。
增塑劑含量對PVC 的ε′, ε″的影響
注: 圖中數值代表PVC 中增塑劑的含量。
如果增塑劑是極性分子, 它不但增加了高分子鏈的活動(dòng)性, 使原來(lái)取向速度加快, 同時(shí)引入了新的偶極損耗, 使得介質(zhì)損耗增加更明顯。
5) 雜質(zhì)
導電性雜質(zhì)或極性雜質(zhì)的存在, 會(huì )增加高聚物的漏導電流和極化率, 因而使介質(zhì)損耗增大。特別是對于非極性高聚物來(lái)說(shuō), 雜質(zhì)成了引起介質(zhì)損耗的主要原因。理論上說(shuō), 純凈的非極性高聚物的介質(zhì)損耗應該幾乎是0 的, 但實(shí)際上幾乎所有的高聚物tgδ 都在10 ^- 4 以上。例如, 低壓聚乙烯, 由于殘存的引發(fā)劑, 使介質(zhì)損耗增大, 當灰分含量從1. 9% 降至0. 03%時(shí), tgδ 從14 ×10^- 4降至3 ×10^- 4。有報道說(shuō), 質(zhì)量濃度1 ×10 ^-3% 的極性雜質(zhì), 其tgδ 已在10^- 4左右。因此, 為了得到介質(zhì)損耗特別小的高聚物, 必須謹慎選用各種添加劑, 并在生產(chǎn)、加工和使用過(guò)程中, 避免帶入和注意消除雜質(zhì)。
水是一種最常見(jiàn), 能明顯增加介質(zhì)損耗的極性雜質(zhì)。它能以離子電導形式增加漏導電流, 引起介質(zhì)損耗; 另一方面, 它還可以以離子界面極化或偶極極化的形式增加介質(zhì)損耗和介電常數。例如, 聚乙酸乙烯酯與聚氯乙烯在干燥的條件下, 介電性能相近, 但由于聚乙酸乙烯酯吸濕性強, 介質(zhì)損耗增加, 因此它不像聚氯乙烯那樣廣泛應用于電氣工業(yè)。
在電力電纜的絕緣材料中, 往往要求介質(zhì)損耗盡量小, 否則一方面會(huì )消耗較高的電能,另一方面還會(huì )引起材料發(fā)熱, 加速絕緣材料的老化, 降低電纜使用壽命, 所以在電力電纜中都使用介質(zhì)損耗小的聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡膠、丁苯橡膠、乙丙橡膠做絕緣材料。
但在高頻焊接、高頻加熱方面, 介質(zhì)損耗就非常有意義了。
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