5. 3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Р_а, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев,

постоянном электрическом поле; (5. 17)

переменном электрическом поле, (5. 18)

где Р_а – активная мощность – диэлектрические потери, Вт;

U – приложенное напряжение, В;

I – протекающий ток, А;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

5. 3. 1. Виды диэлектрических потерь

Различают следующие виды потерь:

1. потери на замедленные виды поляризации;

2. потери на сквозную электропроводность (токи утечки):

3. потери на ионизацию (в газообразных или твердых пористых диэлектриках);

4. потери на структурную неоднородность (в неоднородных диэлек­триках).

5. 3. 2. Схемы замещения диэлектриков и векторные диаграммы к ним

Идеальный диэлектрик, который совсем не проводит ток, может быть представлен в постоянном поле как разрыв в элек­трической цепи, а в переменном — как чистая емкость. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5. 15; рядом векторная диаграмма тока и напряжения для неё; вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90° (опережение — против часовой стрелки)

Рис. 5. 15

В таком идеальном диэлектрике диэлектрические потери отсутствуют. Однако реальный диэлектрик всегда имеет токи утечки, которые мож­но представить активным сопротивлением R. Схема замещения такого диэлектрика представлена, на рис. 5. 16. Рядом векторная диаграмма U и I; вектор тока на активном сопротивлении совпадает с вектором напряжения, а полный ток I является суммой векторов I_c и I_a.

Рис. 5. 16

Угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением (φ) до 90° и называется углом диэлектрических потерь. Как видим, чем меньше сопротивление диэлектрика, тем будет больше ток I, и тем больше будет угол δ — угол диэлектрических потерь. Для характеристики потерь пользуются tg угла потерь, чтобы избавиться от размерности угла (градус, ми­нут).

Из векторной диаграммы тока и напряжения определяем:

(5. 19)

где ω – круговая частота поля , где f – линейная частота;

С – емкость диэлектрика

(5. 20)

R – его активное сопротивление.

Подставив значение тока (I) через tgδ в формулу диэлектрических потерь, получим выражение для Р_а:

Вт. (5. 21)

Эта мощность (Р_а) характеризует диэлектрические потери при определенных напряжении, частоте и габаритах изделия. В справочнике приводится tgδ, который характеризует потери в материале, независимо от других факторов (кроме частоты электрического поля).

5. 3. 3. Зависимость tgδ и Ра от внешних факторов

Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов отра­жает зависимости величин, входящих в формулу потерь, от этих факторов. Например, С зависит от ε, а ε от температуры и частоты. То же самое можно сказать и о электропроводности, ионизации и др.

Посмотрим поведение полярного диэлектрика при изменении температуры; будем рассматривать величины ε, γ, tgδ и Р_а в функции Т (рис. 5. 17). На рис. 5. 17 показана зависимость этих же параметров от частоты переменного поля.

Рис. 5. 17 Рис. 5. 18

Особенности поведения каждого компонента сказываются на поведении tgδ и Р_а.

Если диэлектрик неоднородный, в нем проявляются особенности каждого входящего в него компонента. В качестве примера рассмотрим поведение tgδ от Т для картона (это полярный диэлектрик на основе целлюлозы), пропитанного полярной жидкостью (маслом).

У целлюлозы максимальные потери наблюдаются при отрицатель­ных температурах, а у масла при положительных. Это отражается на зави­симости tgδ от Т (рис. 5.19).

Рис. 5. 19

Величина tgδ приводится в справочных таблицах и характеризует потери в материале. Для полярных диэлектриков значения tgδ лежат в диапазоне десятых или сотых долей единиц, для нейтральных меньше, — тысячных или десятитысячных долей единиц.

Для газов, например воздуха, при напряжениях ниже ионизации, потери малы tgδ ~ 10^-7, но как только напряжение превысит ионизационный потенциал, потери быстро растут.

Примеры tgδ для конкретных изоляционных материалов и их использование; полиуретан (полярный) – tgδ ≈ 0,02 - изоляционные платы, каркасы катушек, панели;

виниппласт (полярный) – tgδ ≈ 0,01 - изоляционные пленки;

полистирол (нейтральный) — tgδ ≈ 0,0001 - материал для конденсаторов и изоляции;

фторопласт-4 (нейтральный) — tgδ ≈ 0,0002 - изоляционные платы;

керамика KM-1 — tgδ ≈ 0,002 - платы для микросхем.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют диэлектрические потери?

2. Какие виды потерь вы знаете?

3. Каким параметром представлены потери для диэлектриков в справочных таблицах?

4. Какой электрической схемой замещения можно изобразить ре­альный диэлектрик?

5. Чтo такое угол диэлектрических потерь?

6. Как выглядит векторная диаграмма тока и напряжения для ре­ального диэлектрика?

7. Как выглядит зависимость tgδ и Р_а для полярного диэлектрика в широком диапазоне температур?

8. Напишите формулу для мощности (P_а) потерь в диэлектрике с учетом приложенного напряжения, размеров диэлектрика и особенности материала.

9. Сопоставьте значения tgδ для полярных и нейтральных диэлектриков (на конкретных примерах).