Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери могут быть вызваны следующими основными причинами: сквозной электропроводностью, релаксационной поляризацией, ударной ионизацией, а также явлениями резонанса.

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектри­ках, имеющих заметную объемную электропроводность или по­верхностную электропроводность. Если при этом потери от других механизмов несу­щественны, то частотные зависимости Р_а и tg, могут быть получены при использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реального диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не за­висят от частоты приложенного напряжения; tg уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону

P = Ae^-b/T, (2.67)

где А, b—постоянные материала;

Рисунок 2.22 Характер релаксационных потерь в диэлектриках.

В зависимости от температуры tg изменяется по тому же за­кону, так как можно считать, что реактивная мощность от температуры практически не зависит.

б)

а)

Потери, обусловленные релаксационными видами поляризации, имеют место в диэлектриках с дипольной структурой и в диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов. Тангенс угла диэлектрических потерь полярных диэлектриков с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов зависит от температуры и частоты (рис.2.22). Наличие температурного максимума tg в полярном диэлектрике можно объяснить на примере дипольно-релаксационной поляризации. При невысоких температурах межмолекулярные связи достаточно велики, молекулы не успевают следовать за изменением поля. Дипольно-релаксационная поляризация практически отсутствует, tg мал. С ростом температуры растет количество полярных молекул, участвующих в поляризации, расходуется дополнительная энергия на их поляризацию, поэтому tg возрастает. Достигнув максимального значения, tg начинает уменьшаться, так как дальнейшее повышение температуры настолько усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул, что затрудняет их поворот в электрическом поле.

Достигнув наименьшего значения, tg вновь возрастает, что связано с увеличением сквозного тока.

На рис 2.22 б) показан график зависимости tg от частоты для полярного диэлектрика. Частотный максимум tg может быть объяснен следующим образом. При возрастании частоты число поворотов диполей за единицу времени увеличивается, следовательно, увеличивается и рассеиваемая мощность и tg . При достаточно высокой частоте tg начинает уменьшаться, так как полярные молекулы не успевают следовать за изменением электрического поля. Положение частотного максимума определяется из условия

f_кр = 1/2₀ = (2.68)

где ₀ – время релаксации, с; f_кр – критическая частота, Гц; k – постоянная Больцмана; Т – температура, К;  - динамическая вязкость вещества, Пас; r – радиус молекулы вещества, условно принимаемой за шарообразную, м.

C повышением частоты максимум tg смещается в область более высоких температур, так как, с повышением температуры межмолекулярные связи ослабляются и время релаксации снижается.

Потери, вызванные ударной ионизацией свойственны пористым и слоистым диэлектрикам с газовыми включениями а также газам при резко неоднородных полях и при напряженностях поля, превышающих начальную точку ионизации газа. На рис. 2.23 показано влияние газовых включений на характер изменения tg с ростом напряжения. При повышении напряжения сверх определенного значения U_ион , называемого порогом ионизации, в газовых включениях и других дефектах внутри диэлектрика возникает процесс ударной ионизации, который приводит к рассеиванию энергии электрического поля. При напряжении U_к соответствующем окончанию процесса ионизации, газ уже ионизирован, поэтому энергия поля больше не расходуется на ионизацию, вследствие чего tg уменьшается.

Ионизация газовых включений особенно опасна для неорганических диэлектриков с закрытыми порами, так как может вызвать местный нагрев изделий и их разрушение. Для повышения качества такой электрической изоляции ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами.

Резонансные потери наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум tg не смещается.