4.6 Диэлектрические потери

При воздействии электрического поля на диэлектрик мощность, которую диэлектрик поглощает, называется диэлектрическими потерями. Эта мощность, которая рассеивается в диэлектрике и превращается в тепло.

Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. При постоянном напряжении диэлектрические потери вызваны сквозным током и могут быть определены по формуле:

P = I_СК² ∙ R (4.11)

При переменном напряжении диэлектрические потери вызваны сквозным током и током абсорбции. Ток абсорбции, обусловленный релаксационной поляризацией, вызывают потери, так как при ориентации диполей (крупных частиц материала) за счет трения этих диполей друг относительно друга выделяется теплота.

Изобразим токи, проходящие через диэлектрик в виде векторной диаграммы (рисунок 4.11).

Рисунок 4.11 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике.

По горизонтальной оси откладываются активный ток I_А, вызывающий нагрев диэлектрика – это сквозной ток и часть поляризационного тока. По вертикальной оси отложим неактивный ток (реактивный ток) I_Р. Общий ток I_ОБ равен сумме активных и неактивных токов. За величину, характеризующую диэлектрические потери, принимают отношение активной части тока к реактивной, т.е. tg  между вектором суммарного тока и его составляющей.

I_А / I_Р = tg  (4.12)

Безразмерная величина tg  и принимается за характеристику материала и называется tg угла диэлектрических потерь. Чем меньше tg , тем лучше диэлектрик, так как в нем меньше потерь энергии. Для электроизоляционных материалов tg  = 0,0001- 0,01.

Произведение K = ε ∙ tg d – коэффициент диэлектрических потерь. При больших значениях коэффициента диэлектрических потерь диэлектрик будет перегреваться и может разрушаться за счет выделяемой теплоты. Из векторной диаграммы

I_А = I_Р ∙ tg d. Реактивная составляющая тока определяется по формуле:

I_Р = U ∙ ω ∙ с , (4.13)

где ω – угловая частота (с^-1);

с - емкость конденсатора, Ф.

Тогда мощность, затраченная на нагрев при переменном напряжении:

P_А = U² ∙ 2π ∙ f ∙ c ∙ tg d (4.14)

Отсюда следует, что диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного напряжения и частоте его изменения. Следовательно, в установках высокого напряжения и в ВЧ и СВЧ аппаратуре диэлектрические потери будут достигать наибольших значений. Поэтому диэлектрики, предназначенные для применения в этих условиях должны иметь весьма малое значение tg , так как в противном случае такие диэлектрики при больших напряжениях и в ВЧ – СВЧ – установках будут перегреваться вплоть до разрушения.

Если tg  ≈ 10^-4, то потери ничтожно малы и такие диэлектрики называются высокочастотными. Обычно это твердые неполярные диэлектрики (полистирол, парафин, полиэтилен, фторопласт – 4).

Твердые полярные диэлектрики имеют tg  = 10^-2 – 10^-3. Они не пригодны для применения в ВЧ РЭА и называются низкочастотными. Это гетинакс, текстолит, стеклотекстолит.