7. Распределение диэлектриков по видам диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе распределяют на четыре группы

1. Потери за счет сквозной проводимости.

2. Потери, обусловленные релаксационной поляризацией.

3. Ионизационные потери.

4. Резонансные потери.

1. Потери за счет сквозной проводимости наблюдаются в диэлектриках, которые имеют значительную объемную или поверхностную электрическую проводимость. Они обусловлены нагревом диэлектриков за счет токов сквозной электрической проводимости.

Мощность удельных потерь в диэлектрике

(1.11)

где P_a – полная мощность потерь; V = Sּd – объем диэлектрика.

Подставив вместо P_a его значение из (1.8),получим

(1.12)

Учитывая, что емкость плоского конденсатора определяется (1.1), запишем

(1.13)

Выражение (1.13) – закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, оно показывает связь мощности удельных потерь и электрической проводимости диэлектриков:

σ_A = ω · ε · ε₀ · tgδ (1.14)

Рис.1.7. Зависимость мощности и угла диэлектрических потерь сквозной электропроводности от частоты и температуры

Мощность диэлектрических потерь в этом случае не зависит от частоты приложенного поля, тангенс угла диэлектрических потерь уменьшается согласно гиперболическому закону (рис.1.7). Поскольку повышение температуры способствует увеличению токов сквозной проводимости, активная мощность возрастает с повышением температуры

P_A = P_A0 · exp[α · (T – T₀)], (1.15)

Где Р_АО – потери в диэлектрике при температуре Т₀;

α – температурный коэффициент потерь;

Р_А – потери в диэлектрике при температуре Т.

В зависимости от температуры tgδ изменяется аналогично, поскольку реактивная мощность от температуры не зависит.

2. Потери на релаксационную поляризацию обусловлены активными составляющими токов смещения и характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на частотной и температурной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь (рис.1.8).

Рассмотрим их на примере жидкостей с дипольно-релаксационной поляризацией, где физический рисунок ясен. Дипольные молекулы, следуя за смещением электрического поля, вращаются в вяжущей среде и вызывают потери энергии на трение. Если температура низкая, вязкость материала большая и диполи не успевают следовать за смещением поля, поэтому tgδ мал. Если температура высокая, ориентация молекул происходит практически без трения и tgδ также уменьшается. С повышением частоты приложенного поля максимум tgδ смещается в направлении более высоких температур. Мощность диэлектрических потерь возрастает с повышением частоты пока дипольные молекулы не успевают полностью сориентироваться в направлении поля; и tgδ уменьшается. Мощность диэлектрических потерь остается постоянной, (рис.1.8).

3. Ионизационные диэлектрические потери присущи газообразным диэлектрикам и диэлектрикам с газовыми включениями. Они проявляются в неоднородных электрических полях при напряженности поля, которое превышает значение напряжения, которое отвечает началу ионизации газа. Ионизационные потери резко возрастают при превышении некоторого критического значения напряжения, и их мощность приблизительно можно вычислить так

P_A = A · ω · (U – U_i)³, (1.16)

де А – некоторый коэффициент; ω – частота поля; U – приложенное напряжение; U_i – напряжение ионизации.

Возникновение ионизации газа, который заполняет поры твердого диэлектрика, может привести к разрушению последнего. Ионизация воздуха приводит к возникновению озона, оксидов азота, который способствует химическому разрушению органических диэлектриков.

Рис.1.8. Зависимость диэлектрических потерь вследствие дипольно-релаксационной поляризации от частоты и температуры

4. Резонансные потери имеют место в некоторых газах и твердых веществах при некоторой строго обусловленной частоте и определяются в сильном поглощении энергии электромагнитного поля, когда частота вынужденных колебаний электрического поля равняется частоте собственных колебаний атомов или молекул твердого тела. Этот вид потерь также имеет максимум на частотной зависимости tgδ, но его положение не зависит от температуры.