Condensatoare Electrice

3.1 Materiale dielectrice

După cum se ştie, pentru medii lineare, legea polarizaţiei electrice temporare se scrie sub forma

unde este permitivitatea absolută a vidului iar este o mărime adimensională denumită susceptivitate electrică. Ea este o constantă în cazul mediilor liniare, poate fi dependentă de intensitatea câmpului electric în cazul mediilor neliniare sau poate fi un tensor în cazul mediilor anizotrope.

În funcţie de valorile pe care le poate lua susceptivitatea electrică, materialele se împart în diaelectrice (la care susceptivitatea este negativă dar are valori foarte mici, de ordinul miimilor) şi paraelectrice (cu susceptivitatea pozitivă dar care nu depăşeşte valoarea 20). Materialele care au capacitatea de a se polariza electric temporar poartă numele de dielectrici. Aproape fără excepţie ele sunt şi materiale izolante, astfel că, de multe ori, cele două noţiuni se confundă, lucru care nu este de dorit. Materialele dielectrice pot fi evident neliniare sau anizotrope. Neliniaritatea cea mai des întâlnită, de formă histeretică va fi prezentată mai detaliat în cazul materialelor magnetice.

Legii polarizaţiei temporare trebuie să i se adauge legea legăturii dintre inducţia electrică, intensitatea câmpului electric şi polarizaţie

Având în vedere cele două componente (temporară şi permanentă ale polarizaţiei), legea legăturii se mai poate scrie sub forma

unde este permitivitatea absolută a materialului, permitivitate ce este de cel mult douăzeci de ori mai mare decât cea a vidului (mai exact de 16,5 ori).

Materialele dielectrice au proprietăţi caracteristice, care le individualizează. Astfel, pot prezenta interes următoarele mărimi.

Permitivitatea  sau susceptivitatea electrică care trebuie să fie cât mai mare pentru a se realiza, la o aceiaşi intensitate a câmpului electric, o inducţie electrică mai mare. Realizarea unei inducţii electrice mari este importantă deoare aceasta intervine în mai multe relaţii importante. Spre exemplu, definiţia fluxului electric este

Fluxul electric, variabil în timp, intervine (prin legea circuitului magnetic) la producerea câmpului magnetic

astfel că mărimea acestuia, alături de cea a intensităţii curentului electric este o măsură a mărimii câmpului magnetic.

Rigiditatea dielectrică (intensitatea câmpului electric de străpungere) este acea mărime a intensităţii câmpului electric, care, odată depăşită, duce la pierderea calităţilor dielectrice ale materialului şi odată cu aceasta şi a calităţilor izolante. Cu cât rigiditatea dielectrică este mai mare, cu atât materialul respectiv este mai bun. Ar trebui remarcat că această mărime este spre exemplu pentru aerul pur 32 kV/cm. Odată cu creşterea gradului de poluare al acestuia (respectiv a gradului de impuritate) sau a umidităţii atmosferice, rigiditatea dielectrică scade.

Având în vedere faptul că dielectricii sunt şi izolanţi, o caracteristică ce trebuie avută în vedere este şi rezistivitatea . Sigur că în cazul acestor materiale rezistivitatea este foarte mare ceea ce conduce evident la pierderi prin efect electrocaloric (Joule) foarte mici. Dar nu zero!

În sfârşit, trebuiesc avute în vedere şi o altă categorie de pierderi de putere datorate întârzierii cu care inducţia electrică urmăreşte variaţia în timp a intensităţii câmpului electric (vâscozitate electrică sau postefect electric). Acest fenomen se întâlneşte şi la materialele magnetice. Într-o interpretare mecanicistă, aceste pierderi s-ar datora unei aşa-zise frecări.

Pierderile de putere dielectrice sunt legate cel mai adesea de tangenta unghiului de pierderi (tg ) care apare în expresia densităţii de volum a pierderilor de putere în materialele dielectrice introduse într-un câmp electric variabil în timp.

Tabelul 1

r Ed [kV/cm] tg   [ m]

Hârtie electroizolantă 2,4 80 0.002 108

Răşini formaldehidice 3,6…9,5 12….26 0,002…0,23 109…1010

Răşini siliconice 2,9…3,0 20…70 0,0005…0,007 1012…1015

Răşini epoxidice 3,7…4,2 35 0,007…0,009 1014…1015

Ulei de transformator

Cauciuc natural 2,4 183…245 0,0028 1013…1015

Cauciuc butilic 2,4 163…320 0,0034 1012…1014

Ceramică (Porţelan) 5…7 100…300 0,007..0,025 1010…1012

Mică electrotehnică 5…7 1000…2000 0,001…0,002 105…107 sau 1011…1014

Sticlă 3,7…16,5 160…400 0,00004…0,0001

Ţesături lăcuite 3,5…4 350…400 0,15…0,5 1010…1011

Aer 1,00058 450 - -

După cum se observă, în afară de permitivitatea dielectrică relativă şi tangenta unghiului de pierderi, în relaţia 3.6 apar şi factori care nu depind de material, dar care influenţează pierderile (frecvenţa de variaţie, intensitatea câmpului electric).

În tabelul 1 sunt prezentate caracteristicile câtorva din materialele utilizate în izolaţiile electrice.

3.2 Condensatoare electrice. Capacitatea electrică

Un ansamblu de două armături (corpuri) metalice separate printr-un dielectric formează un condensator electric.

Pentru o sporire a eficienţei proceselor în care este implicat un condensator este bine ca aceste armături să aibă o anumită formă. Altfel, condensatorul apare (cu tot cu proprietăţi) în toate cazurile în care există corpuri metalice separate prin dielectrici.

Se consideră un ansamblu de două armături metalice separate printr-un dielectric (figura 1). Cele două armături se consideră încărcate cu sarcini electrice egale şi de semne contrare

(+ Q şi respectiv - Q) . Fie VA şi VB potenţialele celor două armături. Se defineşte capacitatea condensatorului format din cele două armături ca fiind