Література:

Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983

Лекція № 12

Тема: Діелектричні втрати

Мета: Вивчити діелектричні втрати діелектриків

Методи: словесний

План:

1 Діелектричні втрати

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Схеми

Діелектричні втрати

Діелектричні втрати - це втрати енергії, які виникають у товщі електроізоляційного матеріалу при дії на нього змінного електричного поля і перетворюються в тепло.

Максимум поляризації діелектрика тією чи іншою мірою від­стає в часі від максимуму напруженості поля, тобто виникає де­який зсув фаз поляризації порівняно з фазами напруженості поля. За відсутності такого зсуву відсутні й відповідні діелектричні втрати. Діелектричні втрати не виникають і тоді, коли час релак­сації настільки великий, що поляризація не встигає завершитись.

Поряд з вказаними діелектричними втратами мають місце втрати, зумовлені невеликою провідністю матеріалу. Вона викли­кається наявністю у всіх реальних діелектриків деякої кількості домішок. Діелектричні втрати, спричинені домішковою провідні­стю, за абсолютною величиною в більшості випадків дуже малі.

Діелектричні втрати можуть привести до перегріву електро­ізоляційного матеріалу, погіршення його ізоляційних властивос­тей і передчасного зношення та руйнування діелектрика. Як пра­вило, втрати потужності в матеріалі чи виробі з цього матеріа­лу, за інших рівних умов, прямо пропорційні квадрату прикладе­ної до цього матеріалу електричної напруги.

Відомо, що як за дії постійної напруги, так і змінної, діюче зна­чення якої рівне за величиною постійній напрузі, втрати потужно­сті Р в металічних провідниках однакові, не залежать від частоти напруги та визначаються як

,

де - напруга, В; - опір провідника, Ом.

Діелектричні втрати спостерігаються в обох випадках. В пер­шому зумовлюються наскрізним струмом. У цьому випадку якість матеріалу характеризується значеннями питомого об'ємного і поверхневого опорів.

При змінній напрузі, крім втрат, зумовлених наскрізним стру­мом, з'являються втрати від сповільненої поляризації діелектрика.

У діелектриках розсіювання потужності залежить від частоти і значення напруги. Чим вищі частота і значення напруги, тим більші втрати. Вони також зростають із збільшенням ємності і залежать від матеріалу діелектрика. При розгляді діелектричних втрат звичайно мають на увазі втрати за змінної напруги, тому що вони в багато разів більші, ніж: за постійної.

Кут діелектричних втрат. Найчастіше втрати потужності в діелектрику оцінюють кутом діелектричних втрат, а також тан­генсом цього кута.

На (рис. 5.12) зображена векторна діаграма струмів і напруг у конденсаторі при дії змінної напруги.

Рис. 5.12. Спрощена

діаграма струмів у

діелектрику з втратами

Якщо б у діелектрику конденсатора потужність не розсіювалась (ідеаль­ний діелектрик), то вектор І випере­джував би вектор напруги U на 90° і струм був би чисто реактивним.

Насправді ж зсув фаз для реаль­ного діелектрика дещо менший 90°. Повний струм через конденсатор можна розкласти на дві компоненти-активний І_а і реактивний І_р. Оскіль­ки в конденсаторі з високоякісним ді­електриком кут зсуву фаз близький до 90°, то для більшої наглядності ви­користовують кут , який доповнює кут до 90 °:

.

Кут називається кутом діелектричних втрат, а тан­генс цього кута дорівнює відношенню активного і реактив­ного струмів:

.

не залежить від ► форми поля, ► розмірів та ► форми зразка і широко застосовується для оцінки діелектричних втрат. Ця ве­личина набагато чутливіша до змін властивостей речовини ніж величина .

Діелектричні втрати Р ділянки ізоляції з ємністю С, як бачимо на рис. 5.12, дорівнюють

. (5.1)

Підставивши в (5.1) значення сили струму, що проходить че­рез ділянку ізоляції з ємністю С.

,

де - кутова частота, отримаємо:

. (5.2)

Вираз (5.2) справедливий для будь-яких розмірів і конфігурації ділянки ізоляції. За високих частот діелектричні втрати великі і в потужних короткохвильових радіоустановках навіть за значень порядку 0,01 кількість виділеного тепла настільки велика, що може спричинити руйнування і розтоплення скла чи фарфору.

Величина найкращих електроізоляційних матеріалів для ви­сокочастотної техніки та високих напруг 3-10г⁴ і навіть мен­ше. До таких матеріалів, зокрема, можна віднести неполярні полі­мери, для яких не перевищує ~ 0,0006.