Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice

Licență
8/10 (1 vot)
Domeniu: Electrotehnică
Conține 1 fișier: doc
Pagini : 79 în total
Cuvinte : 18380
Mărime: 1.18MB (arhivat)
Cost: 9 puncte
UNIVERSITATEA TEHNICĂ CLUJ-NAPOCA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

Cuprins

Introducere 4

Capitolul 1 Proprietăţile dielectricilor utilizaţi ca izolanţi electrici 7

1.1. Criterii de clasificare a dielectricilor 7

1.2. Proprietăţile materialelor dielectrice utilizate ca izolanţi electrici 11

1.3 Polarizaţia electrică 12

1.3.1. Caracteristicile macro şi microscopice ale polarizaţiei electrice 12

1.3.2. Mecanisme de polarizaţie electrică 13

1.4. Conducţia electrică 17

1.4.1. Conducţia dielectricilor solizi utilizaţi ca izolanţi electrici 17

1.4.2. Proprietăţile de material legate de fenomenul de conducţie 19

Capitolul 3 Metode de calcul a permitivităţii amestecurilor dielectrice 34

3.1 Tipuri de amestecuri dielectrice 34

3.2 Metode analitice de calcul a permitivităţii 35

3.2.1. Abordări clasice 35

3.2.1.1. Modelul dielectricului stratificat 35

3.2.1.2. Teorii ale câmpului mediu 38

3.2.1.3. Alte relaţii analitice 48

3.3. Metode numerice de calcul a câmpului electric din amestecurile dielectrice 51

3.3.1. Prezentarea generală a metodelor de calcul a câmpului electric 51

3.3.2. Metode numerice utilizate în cazul amestecurilor dielectrice 52

3.4. Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice 53

3.4.1. Consideraţii generale 53

3.4.2. Metode de calcul numeric al permitivităţii amestecurilor dielectrice 54

3.4.3. Calculul numeric al permitivităţii în câmp electrostatic 55

3.4.3.1. Metode utilizate în câmp electrostatic 55

3.4.3.2. Validarea metodei numerice 56

Capitolul 4 Studiul factorilor ce influenţează permitivitatea efectivă a amestecurilor dielectrice 60

4.1 Factori de influenţă 60

4.1.1.Influenţa formei incluziunii 60

4.1.2. Influenţa distribuţiei incluziunilor 67

4.1.3 Influenţa dimensiunilor incluziunilor 74

4.1.4. Influenţa raportului permitivităţilor incluziune/mediu gazdă 78

4.2 Permitivitatea amestecurilor cu mai mult de două componente 83

Capitolul 5 Analiza comparativă a permitivităţilor efective determinate numeric şi analitic 85

5.1 Relaţii analitice de calcul a permitivităţii efective a dielectricilor neomogeni 85

5.2 Analiza comparativă a rezultatelor numerice şi analitice 87

5.3 Concluzii şi observaţii 89

Bibliografie 91

Extras din document

Introducere

Actualitatea şi importanţa temei

Multe dintre materialele folosite la ora actuală ca izolanţi electrici sunt amestecuri dielectrice cu două sau mai multe componente sau faze. O mare amploare a luat folosirea compozitelor ale căror proprietăţi mecanice deosebite (combinaţia unică de densitate mică şi rezistenţă mecanică mare) a dus nu numai la studierea proprietăţilor lor mecanice, dar şi la o tehnologie de fabricaţie foarte avansată. Prin comparaţie, s-a acordat puţină atenţie altor proprietăţi fizice care au afectat folosirea lor ca materiale izolante. În prezent ele au început să fie folosite ca izolanţi electrici în sistemele de izolaţie, înlocuindu-se materialele izolante tradiţionale (ulei, hârtie, sticlă, ceramici etc) cu materiale compozite bazate pe polimeri. Acestea sunt mai ieftine şi poluează mai puţin mediul ambiant. De aceea, ele sunt foarte studiate de mulţi cercetători pentru a se descoperi alte materiale mai rezistente la solicitările electrice şi cu preţ de cost mai scăzut. Mai mult, cu aceste materiale noi se încearcă ridicarea tensiunii de pe liniile de trasport de energie dar şi reducerea pierderilor şi a dimensiunilor echipamentelor folosite.

Avantajul principal al materialelor compozite este posibilitatea de a le modela pentru scopuri speciale. Aplicaţiile lor practice evoluează odată cu dezvoltarea tehnologiilor care permit o precizie ridicată în fabricarea lor.

Modelarea cu metodele clasice de încercări experimentale presupune timp şi bani. În cele mai multe cazuri nu e uşor să se imbunătăţească modelul iniţial. Totuşi, folosind calculatorul în stadiul de proiectare, proprietăţile dorite pot fi estimate şi corectate.

Considerând un sistem de izolaţie ca un tot unitar, proprietăţile lui electrice (permitivitatea dielectrică şi conductivitatea ) sunt influenţate de proprietăţile electrice ale constituenţilor, de interacţiunile dintre ei şi de configuraţia geometrică a sistemului studiat. Dacă se iau în considerare şi factorii de influenţă (temperatura, umiditatea, frecvenţa, tensiunea electrică, solicitările mecanice etc) problema studiată devine foarte dificilă.

Stadiul actual al cercetărilor în domeniu

Modelarea numerică a dielectricilor neomogeni utilizaţi ca izolanţi electrici în scopul predicţiei permitivităţii şi a factorului de pierderi dielectrice reprezintă o temă de cercetare nouă, modernă, ce vizează analiza teoretică a comportării compozitelor utilizate în sistemele de izolaţie electrică.

Materialele compozite, mult studiate din punct de vedere mecanic datorită combinaţiei unice de densitate mică şi rezistenţă mecanică mare, au început să prezinte interes şi din punct de vedere electric pentru că sunt mai ieftine şi poluează mai puţin mediul ambiant. Ca urmare, cercetările din acest domeniu au fost focalizate spre descoperirea de materiale noi, mai rezistente şi cu preţ de cost mai redus.

Se ştie că proprietăţile acestor materiale reprezintă o combinaţie a celor mai interesante proprietăţi termice, mecanice şi electrice ale constituenţilor şi că s-au obţinut materiale compozite polimerice cu conductivitate electrică ridicată, cu proprietăţi magnetice remarcabile, cu proprietăţi mecanice şi / sau termice foarte bune, cu rezistenţă mare la acţiunea mediului ambiant, cu prelucrabilitate ridicată, cu preţ de cost redus etc.

În ultima vreme cercetările sunt îndreptate îndeosebi spre obţinerea de compozite cu structură nanometrică, respectiv a unor materiale ale căror proprietăţi sunt influenţate direct de microstructura acestora, analizată la scară atomică. Unul din proiectele de cercetare europene importante se referă tocmai la realizarea şi utilizarea unor „izolaţii polimerice nanocompozite pentru dezvoltarea următoarei generaţii de echipamente pentru producerea, transportul şi utilizarea energiei electrice”.

Avantajul principal al materialelor compozite este posibilitatea de a le modela pentru scopuri speciale, în condiţiile în care proprietăţile lor sunt influenţate direct de caracteristicile constituenţilor (natură chimică, granulaţie, formă geometrică şi distribuţie a incluziunilor, concentraţie etc). Aplicaţiile lor practice evoluează odată cu dezvoltarea tehnologiilor care permit o precizie ridicată în fabricarea lor.

O aplicaţie mai puţin studiată până acum este utilizarea, în sistemele de izolaţie electrică, a unor compozite polimerice cu incluziuni organice sau anorganice. Dimensiunile şi greutatea sistemului de izolaţie influenţează mult preţul de cost al echipamentului electric în care este folosit. Obţinerea unui compozit uşor şi ieftin cu aceleaşi proprietăţi electrice ca şi materialele tradiţionale ar reprezenta o realizare importantă.

Modelarea compozitelor cu metodele clasice de încercări experimentale presupune timp şi bani. În cele mai multe cazuri nu e uşor să se îmbunătăţească modelul iniţial. Totuşi, folosind calculatorul în stadiul de proiectare, proprietăţile dorite pot fi estimate şi corectate.

Proprietăţile electrice (permitivitate relativă, conductivitate, factor de pierderi etc) ale amestecurilor dielectrice sau ale unui sistem de izolaţie considerat ca un tot unitar sunt influenţate de caracteristicile electrice ale constituenţilor, de interacţiunile dintre ei şi de configuraţia geometrică a sistemului studiat. Dacă se ia în consideraţie şi influenţa unor factori exteriori (temperatură, umiditate, frecvenţa câmpului electric alternativ, solicitările mecanice etc) problema studiată devine foarte dificilă.

Predicţia permitivităţii medii (efective) şi a pierderilor dielectrice pornind de la proprietăţile dielectrice (cunoscute) ale componenţilor şi de la concentraţia lor în amestec precum şi studiul comportării dielectricului neomogen în câmp de frecvenţă variabilă sunt problemele de interes în acest domeniu. Rezolvarea lor pe cale numerică presupune o bună cunoaştere a:

• fenomenului de relaxare dielectrică în dielectricii neomogeni;

• metodelor de calcul numeric a câmpului electric în amestecuri dielectrice;

• metodelor (analitice şi numerice) de estimare a permitivităţii medii şi a factorului de pierderi dielectrice;

• posibilităţilor de modelare numerică a amestecurilor dielectrice (cu structuri ordonate şi dezordonate) care să posede anumite proprietăţi prestabilite.

Din cercetarea bibliografică cu privire la modelarea numerică a dielectricilor neomogeni reiese că un număr destul de restrâns de cercetători au abordat această problematică.

În acest context, al efortului general al specialiştilor din întreaga lume de cercetare, din punct de vedere teoretic şi experimental, al comportării materialelor electroizolante în scopul obţinerii de materiale cu proprietăţi mai bune pentru o aplicaţie dată, tema acestui proiect prezintă şansa unui pas important înainte în acest domeniu de actualitate.

Obiectivele propuse sunt de mare actualitate, fiind reflectate în tematica de cercetare şi a altor colective, pe plan mondial.

Preview document

Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 1
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 2
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 3
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 4
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 5
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 6
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 7
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 8
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 9
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 10
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 11
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 12
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 13
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 14
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 15
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 16
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 17
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 18
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 19
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 20
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 21
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 22
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 23
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 24
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 25
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 26
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 27
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 28
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 29
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 30
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 31
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 32
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 33
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 34
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 35
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 36
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 37
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 38
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 39
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 40
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 41
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 42
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 43
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 44
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 45
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 46
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 47
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 48
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 49
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 50
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 51
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 52
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 53
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 54
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 55
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 56
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 57
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 58
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 59
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 60
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 61
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 62
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 63
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 64
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 65
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 66
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 67
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 68
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 69
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 70
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 71
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 72
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 73
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 74
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 75
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 76
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 77
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 78
Modelarea numerică a amestecurilor dielectrice - Pagina 79

Conținut arhivă zip

  • Modelarea Numerica a Amestecurilor Dielectrice.doc

Ai nevoie de altceva?