2.2. Діелектричні втрати

Під дією електричного поля в діелектрику розвиваються два основні процеси: поляризація і крізна електропровідність. Розвиток цих процесів може привести до розсіяння енергії електричного поля в діелектрику у вигляді тепла. Так, під дією електричного поля вільні носії заряду набирають кінетичну енергію і, стикаючись з молекулами речовини, передають їм цю енергію.

Таким чином, енергія електричного поля трансформується в теплову енергію

матеріалу. Крім того, у разі, коли структурні одиниці речовини (молекули) полярні, зовнішнє електричне поле здійснює роботу по повороту диполів по полю, і як наслідок, енергія поля знов розсівається в матеріалі. Діелектричними втратами називають енергію, що розсіюється в одиницю часу в діелектрику при дії на нього електричного поля і що викликає нагрів діелектрика.

Втрати енергії в діелектриках спостерігаються як при змінній напрузі, так і при постійній, оскільки в матеріалі виявляється крізний струм, обумовлений електропровідністю. При постійній напрузі, коли немає періодичної поляризації, якість матеріалу характеризується значеннями питомих об'ємного і поверхневого електроопорів. При змінній напрузі необхідно використовувати іншу характеристику якості матеріалу, оскільки в цьому випадку, окрім крізної електропровідності, виникає ряд додаткових причин, що викликають втрати енергії в діелектрику.

Діелектричні втрати в електроізоляційному матеріалі можна характеризувати розсіюваною потужністю, віднесеною до одиниці об'єму, або питомими втратами. Для кількісної оцінки величини діелектричних втрат використовують поняття тангенс кута діелектричних втрат. Кутом діелектричних втрат називається кут, доповнюючий до 90° кут зрушення фаз φ між струмом і напругою в ємкісному ланцюзі. У разі ідеального діелектрика вектор струму в такому ланцюзі випереджатиме вектор напруги на 90°, при цьому кут δ буде рівний нулю. Чим більше потужність розсіювання, перехідна в тепло в діелектрику, тим менше кут зрушення фаз φ і тим більше кут діелектричних втрат δ і його функція tg δ.

2.3. Види діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах

Діелектричні втрати по їх особливостях і фізичній природі можна підрозділити на чотири основні види:

1) діелектричні втрати, обумовлені поляризацією;

2) діелектричні втрати крізної електропровідності;

3) іонізаційні діелектричні втрати;

4) діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури.

Діелектричні втрати, обумовлені поляризацією, особливо виразно спостерігаються в речовинах, що володіють релаксаційною поляризацією: у діелектриках дипольної структури і в діелектриках іонної структури з нещільною упаковкою іонів.

Релаксаційні діелектричні втрати викликаються порушенням теплового руху частинок під впливом сил електричного поля. Це порушення приводить до розсіяння енергії і нагріву діелектрика.

У температурній залежності тангенса кута релаксаційних діелектричних втрат спостерігається максимум при деякій температурі, характерній для даної речовини. При цій температурі час релаксації частинок діелектрика приблизно співпадає з періодом зміни прикладеного змінного електричного поля. Якщо температура така, що час релаксації частинок значно більше напівперіоду зміни прикладеної змінної напруги, то тепловий рух частинок буде менш інтенсивним, і втрати зменшаться; якщо температура така, що час релаксації частинок значно менше напівперіоду зміни напруги, то інтенсивність теплового руху буде більша, зв'язок між частинками зменшиться, внаслідок чого втрати також знизяться.

Діелектричні втрати, спостережувані в сегнетоелектриках, пов'язані з явищем спонтанній поляризації. Тому втрати в сегнетоелектриках є значними при температурах нижче за точку Кюрі, коли має місце спонтанна поляризація. При температурах вище за точку Кюрі втрати в сегнетоелектриках зменшуються. Електричне старіння сегнетоелектрика з часом супроводжується деяким зменшенням втрат.

До діелектричних втрат, обумовлених поляризацією, слід віднести також так звані резонансні втрати, що виявляються в діелектриках при світлових частотах. Цей вид втрат з особливою чіткістю спостерігається в деяких газах при строго певній частоті і виражається в інтенсивному поглинанні енергії електричного поля.

Резонансні втрати можливі і в твердих речовинах, якщо частота вимушених коливань, що викликаються електричним полем, співпадає з частотою власних коливань частинок твердої речовини. Наявність максимуму в частотній залежності tgδ характерний також і для резонансного механізму втрат, проте в даному випадку, температур а на положення максимуму не впливає.

Діелектричні втрати, обумовлені крізною електропровідністю, виявляються в діелектриках, що мають помітну об'ємну або поверхневу електропровідність. Діелектричні втрати цього вигляду не залежать від частоти поля; tgδ зменшується з частотою по гіперболічному закону.

Діелектричні втрати, обумовлені електропровідністю, зростають з тем-

пературою по експоненціальному закону.

Іонізаційні діелектричні втрати властиві діелектрикам в газоподібному стані, Іонізаційні втрати виявляються в неоднорідних електричних полях при напрузі, що перевищує значення, відповідне початку іонізації даного газу. Із збільшенням тиску газу величина напруги початку іонізації зростає.

Діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури, спостерігаються в шаруватих діелектриках з просоченого паперу і тканини, в пластмасах з наповнювачем, в пористій кераміці, в похідних слюди, міканітах, мікалексі тощо.[22]

Для наочності основні відомості про особливості різних видів діелектричних втрат зведемо в таблицю 2.1.

Табл. 2.1.

Класифікація втрат в діелектриках

Діелектричні втрати	Головні особливості	Види діелектриків
Обумовлені поляризацією
релаксаційні	Наявність максимуму тангенса кута втрат, залежного від температури і частоти	Дипольні рідкі і тверді діелектрики, іонні з нещільною упаковкою
дипольні та іонні
резонансні	Наявність різко вираженого максимуму при деякій частоті (вище за 1013 Гц), положення якого не залежить від температури	Всі види діелектриків
спонтанній поляризації	Великі: вище за точку Кюрі спостерігається різке зменшення	Сегнетоелектрики
обумовлені електропровідністю	Незалежність втрат від частоти (тангенс кута втрат з частотою знижується по гіперболі) і помітне зростання з температурою	Рідку і тверді діелектрики з великою електропровідністю
іонізаційні	Спостерігаються при напрузі вище іонізаційного	Газоподібні діелектрики і тверді з газовими включеннями
обумовлені неоднорідністю структури	Складна залежність врат від компонентів, що входять до складу діелектрика і випадкові домішки	Неоднорідні діелектрики