2. Диэлектрические потери

Диэлектрические потери характеризуют потери энергии при прохождении электрического тока через конденсатор с диэлектриком.

Если к диэлектрику приложено переменное электрическое поле с частотой f напряжение U которого изменяется синусоидально

, где ,

то заряд на обкладках конденсатора равен . Ток, текущий через конденсатор или

,

где I_p – реактивный ток (ток смещения).

Таким образом, ток I_p опережает напряжение на π/2; т.е. на 90^о.

При затрате некоторой энергии на переориентацию диполей (что эквивалентно появлению активной проводимости), а также при наличии активной проводимости диэлектрика появляется еще одна составляющая тока I_p, которая по фазе совпадает с напряжением. Векторная диаграмма токов и напряжений показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Диаграмма напряжений, токов, сопротивлений, компонент комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрика и её эквивалентная схема

Суммарный ток опережает напряжение на угол φ. Угол, дополнительный к этому углу, обозначают δ (δ = 90° - φ) и называют углом диэлектрических потерь.

Потери энергии при прохождении тока через образец, который представляет собой конденсатор емкостью С, составляют:

где

Таким образом, диэлектрические потери пропорциональны тангенсу угла диэлектрических потерь , который равен

.

Тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывают по формуле:

Конденсатор с диэлектриком, обладающим диэлектрическими по­терями, можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из конденсатора той же емкости с диэлектриком без диэлектрических потерь С и присоединенного параллельно к нему резистора с сопротивлением R. В этом случае

Для всех полимеров установлено два типа диэлектрических потерь. Первый тип диэлектрических потерь, называемых дипольно-сегментальными, связан с ориентационными поворотами полярных звеньев макромолекулы в условиях, когда возможно сегментальное движение, т.е. в высокоэластичееком состоянии (выше Т_ст полимера). Второй тип - дипольно-групповые потери — обусловлены ориентацией самих полярных групп. Этот вид потерь может проявляться и ниже Т_ст полимера, т. е. в стеклообразном состоянии.

2.1. Влияние строения и полярности на диэлектрические потери

Дипольные потери в полимерах — определяются химическим строением повторяющейся в цепи мономерной единицы, которое оказывает влияние на внутри- и межмолекулярные взаимодействия, а следовательно на подвижность звеньев. Чем сильнее внутри- и межмолекулярные взаимодействия, тем менее подвижны звенья, тем выше температура, при которой наблюдается максимум , и тем больше время релаксации. Сильное влияние оказывают природа и число полярных групп, размеры заместителей, изомерия бокового радикала, стерические факторы и т. д. Так, уменьшение межмолекулярного взаимодействия может быть следствием введения в боковую цепь больших по размеру углеводородных (алкильных) радикалов.

Влияние размера алкильного радикала на было изучено на примере ряда полиалкилметакрилатов, поливинилацеталей, полиалкилакрилатов.

Во всех случаях с увеличением длины алкильного радикала дипольно-сегментальных потерь смещается в сторону более низких температур (рис. 2). Одновременно с этим зависимости также смешаются в сторону более низких температур. Это значит, что с понижением концентрации полярных групп в полимерной цепи время релаксации ориентационного момента уменьшается.

В гомологических рядах поливинилацеталей , полиалкилакрилатов и полнвинилацетата с возрастанием номера гомолога происходит уменьшение температуры, при которой наблюдается дипольно-групповых потерь.

При одинаковом размере боковых заместителей важное значение имеет их полярность. Замена неполярной группы полярной приводит к усилению межмолекулярного взаимодействия, уменьшению подвижности звеньев. Следствием этого является смещение максимума диэлектрических потерь в область более высоких температур.