9. Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в газообразных и твердых диэлектриках.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалахразлична в зависимости от состояния вещества: газообразного, жидко­го, твердого.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходи­мого для развития ударной ионизации молекул газов, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими поте­рями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Значение tgδ может быть вычислено по формуле (6.27).

Удельное объемное сопротивление газов порядка 10¹⁶Ом•м, ε ≈ 1 и tgδ при f =50 Гц (при отсутствии ионизации) менее 4•10^-8 .

При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критичес­кое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе воз­никают потери на ионизацию.

Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле

Pi = A₁f(U-Ui) ³

где A₁ — постоянный коэффициент; f — частота; U — приложенное напряжение; Ui — напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при (U>Ui и линейной зависимости tgδ от Е). Значение ионизирующего напряжения Ui зависит от давле­ния газа, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов. С увеличением давления газа выше атмосферного значение напряжения начала ионизации возрастает.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом ди­электрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газо­вые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно ин­тенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 6.17 показано влияние газовых включений на характер tgδ с увеличением напряже­ния. При возрастании напряжения свы­ше Ui (начало ионизации) tgδ растет. При U > Ui когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие про­цесса и tgδ уменьшается

Кривую tgδ = F(U) часто называют кривой ионизации. При высоких часто­тах ионизация и потери в газах воз­растают настолько, что это явление может привести к разогреву и разру­шению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.

Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изо­ляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других — цепную реакцию окис­ления, инициированную бомбардировкой материала заряженными час­тицами.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. Диэлектриче­ские потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.

1. Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой зависят от вида молекул.

Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми ди­электрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, це­резин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол (см. гл. 7) и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представ­ляют собой главным образом органические вещества, широко исполь­зуемые в технике: полярные полимеры — эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон и т. п.), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах.

2. Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в решетке.

В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность весьма малы.. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические сое­динения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличива­ют диэлектрические потери.

К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплот­ной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, харак­теризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышен­ные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав керами­ческих масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой — неорганических стеклах — отличаются некоторыми осо­бенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной сетки в другу

б)

Рис. 6.18. Частотная и температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для неорганического стекла:

1 — потери на электропроводность;

2 — релаксационные потери;

3— суммарные потери

Потенциальные барьеры, ограничиваю­щие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локаль­ных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные по­тери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектричес­ких потерь (рис. 6.18). Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа. Сглаженные максимумы релаксаци­онных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.

При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собст­венных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.

11. Относительная диэлектрическая проницаемость ε. Связь комплексной ε*=ε'- jε" и tgδ.

Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует спообность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектриче­ского материала при данной температуре и частоте электрического на­пряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектри­ком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.

Диэлектрическая проницаемость определяет величину электри­ческой емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.). Для плоского конденсатора электрическая емкость С, Ф, выражается формулой

С = εε_оS/h, (2.15)

где S — площадь измерительного электрода, м2; h — толщина ди­электрика, м.

Из формулы (2.15) видно, что чем больше величина ε используе­мого диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора при тех же габаритах.

В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициен­том пропорциональности между поверхностным зарядом Qк, накоп­ленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим на­пряжением U:

Qк = CU = Uε_оε S / h. (2.16)

Из формулы (2.16) следует, что электрический заряд Qк, накоп­ленный конденсатором, пропорционален величине ε диэлектрика. Зная Qк и геометрические размеры конденсатора, можно определить ε диэлектрического материала для данного напряжения.

****************************************************************

Диэлектрическая проницаемость ε — величина безразмерная, и у любого диэлектрика она больше еди­ницы; в случае вакуума ε = 1. Плотность заряда на электродах конденсатора с диэлек­триком в ε раз больше плотности заряда на электродах конденсатора с вакуумом, а напряженности при одинаковых напряжениях для обо­их конденсаторов одинаковы и зависят только от величины напря­жения U и расстояния между электродами (Е = U/h).

Кроме относительной диэлектрической проницаемости ε разли­чают абсолютную диэлектрическую проницаемость ε_а, Ф/м,

ε_а =εε_о, (2.19)

которая не имеет физического смысла но используется в электротех­нике.

Для диэлектриков с потерями можно также использовать комплексную диэлектри­ческую проницаемость ε, которая выражается формулой

ε = ε'-jε", (2.20)

где ε' и ε" — действительная и мнимая части комплексной диэлектрической прони­цаемости ε; j — коэффициент, обозначающий мнимую компоненту (j = √-l). Мнимая часть представляет собой коэффициент потерь ε" (ε" = ε'tgδ, где tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь.

рис 2.3. Частотные зависимости ε/, ε//, к и tgδ диэлектрика с релаксационными видами поляризации

В слабых электрических полях у линейных изотропных диэлектриков вектор электрического смещения (электрической индукции) D незначительно и линейно за­висит от вектора поля Е, действующего в диэлектрике (D = εε_оЕ). При этом диэлек­трическая проницаемость ε остается величиной постоянной и независимой от напря­женности поля Е. (Для анизотропных диэлектриков направления D и Е не совпадают, поэтому у них диэлектрическая проницаемость является тензором.)

В сильных электрических полях у линейных изотропных диэлектриков линейная зависимость D(E) нарушается и диэлектрическая проницаемость ε становится величи­ной, зависимой от квадрата напряженности поля Е²

ε(Е) = dD/dE = ε+ЗαЕ², (2.21)

где α — второе слагаемое в разложении D по степеням Е

Нелинейная зависимость ε(Е) и D(E) у диэлектриков имеет важное значение не только в ряде вопросов теории диэлектрической поляризации, но и для их практического применения.