13. Полные потери энергии в диэлектрике. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями

Активная мощность конденсатора Р вычисляется как: , где Удельные потери диэлектрика: , где Е – напряженность, E=U/d, C – емкость плоского конденсатора Ф/м. , Тангенс угла диэлектрических потерь, вызванных сквозными токами проводимости: — удельная объемная активная электропроводности диэлектрика при переменном напряжении. Между потерями на переменном и постоянном напряжении существует четкая взаимосвязь, и их соотношение достаточно подробно рассмотрено в учебном пособии ЭТМ. Диэлектрики 1989 г. Полонского Ю. А., Морозовой М.Н.. Произведение называется фактором потерь. Потери пропорциональны напряженности электрического поля и частоте. Если диэлектрик в той или иной конструкции должен работать на высокой частоте и большой напряженности поля, то необходимо выбирать материал с малыми значениями и . Для расчета диэлектрических потерь и поляризации реальных диэлектриков зачастую используют эквивалентную электрическую схему замещения, в которой реальные свойства конденсатора разнесены по идеальным элементам: емкости и сопротивлению. Самые простейшие схемы замещения диэлектрика являются последовательные и параллельные схемы.

Последовательная схема: Параллельная схема:

Реальные схемы замещения весьма сложные и должны базироваться на физике явлений, имеющих место в диэлектрике.

13. Диэлектрические стекла. Ситаллы

Стеклом называется квазиаморфный твердый материал, обладающий ближним порядком в расположении атомов при отсутствии дальнего. Стеклообразное состояние является основной разновидностью аморфного. Наиболее широкое применение в электротехнике имеют неорганические стекла. Наиболее важными для техники являются оксидные стекла. Их получают при скорости охлаждения расплава менее 10² К/с. Силикатные стекла являются наиболее важным для техники классом, так как обладают высокой химической устойчивостью и являются недорогими, потому что содержат самые распространенные в Земной коре элементы — кислород и кремний. В бесщелочных стеклах отсутствуют оксиды натрия и калия. В эту группу входит чисто кварцевое стекло (плавленый кварц), которое обладает высокими нагревостойкостью и электрическими свойствами, но из него тяжело изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по размерам. Щелочные стекла характеризуются высоким содержанием тяжелых металлов. Эти стекла обладают удовлетворительной технологичностью, имеют повышенные электрические свойства, которые при нормальной температуре приближаются к свойствам стекол первой группы. Диэлектрическая проницаемость всех типов стекол возрастает с повышением температуры. Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты (HF), которая их растворяет. Стойкость к щелочам значительно меньше. Диэлектрические свойства силикатных стекол лежат в очень широком диапазоне, так как зависят от состава и технологии получения стекла. Кварцевое стекло (100 % SiO₂). Температура получения этого стекла 1700 – 2000 °С. Основу микрокристаллической структуры кварцевого стекла составляет кремнекислородный тетраэдр [SiO₄]^4- Кварцевые стекла обладают рядом высочайших свойств: минимальный из всех известных веществ температурный коэффициент линейного расширения α_l , меньше в 10 – 20 раз, чем у остальных материалов; высокий предел прочности на сжатие, в 4 – 5 раз выше, чем у остальных стекол; высокий предел прочности при растяжении; высокая стойкость к тепловым импульсам; высокая химическая стойкость (благодаря чему эти стекла получили широкое применение в технологии получения чистых веществ, из них изготавливают различные реакторы, ампулы, тигли); высокая прозрачность для излучения инфракрасной и ультрафиолетовой областей светового диапазона, до длины волны порядка 4 мкм, поэтому являются хорошим высокочастотным диэлектрикам, у них ε = 3,8; tgδ = 2·10^{- 4} (на частоте 10⁶ Гц); ρ_v более 10¹⁶ Ом. Применение. Электровакуумные стекла используются для изготовления баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов. Значения температурного коэффициента линейного расширения (α_l ) стекла и соединяемых с ним материалов должны быть близки. Боросиликатные или алюмосиликатные стекла с добавлением щелочных оксидов используются в качестве стеклоприпоев. Изоляторные стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизирующих вводов в металлические корпуса различных приборов (конденсаторов, трансформаторов и т. д.) обычно для этой цели используется щелочное силикатное стекло. Из цветных стекол изготавливают светофильтры, эмали, глазури. Ситаллы. Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Эти материалы непрозрачны в видимом свете, от стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамики — значительно меньшими размерами кристаллических зерен. В состав стекломассы вводят добавки, дающие зародыши кристаллизации (частицы металлов и их соединения). В ситаллах содержание кристаллической фазы составляет 95 %, размеры кристаллов порядка 0,05 – 1 мкм. К достоинствам ситаллов относятся: повышенная механическая прочность. возможность получения, как малого, так и большого температурного коэффициента линейного расширения (ситаллы с малым α_l очень нагревостойки); большие возможности получения материалов с заранее заданными свойствами, т. е. можно варьировать как рецептуру стекломассы, так и режимы кристаллизации; Ситаллы разделяются на установочные и конденсаторные. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называется пирокерамом, девитрокерамом, стеклофарфором и т. д.