1

Билет №8, 9, 10

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

1) Потери на электропровод­ность;

2) Релаксационные потери;

3) Ионизационные потери;

4) резо­нансные потери.

1)Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Если при этом потери от других механизмов несущественны, то частот­ные зависимости Р_а и tgδ, как упоминалось, могут быть получены при использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реаль­ного диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения; tgδ умень­шается с частотой по гиберболическому закону (рис.6.14) . Значение тангенса угла диэлектрических потерь при данной частоте может быть вычислено по фор­муле

tgδ=1,8•10²⁰/εfρ (6.27)

если известно ρ, измеренное на постоянном токе, и ε , измеренная при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону (см.ниже):

Рaт = А ехр (—b/Т),

где A, b — постоянные материала.

В зависимости от температуры tgδ изменяется по тому же за­кону, так как можно считать, что реактивная мощность (U²ωC) от температуры практически не зависит.

2) Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладаю­щих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляриза­ции от изменения поля. Рассмотрим происхождение релаксационных потерь на примере дипольно-релаксационной поляризации полярных жидкостей, где физическая картина более проста и отчетлива.

При воздействии на диэлектрик синусоидального напряжения вы­сокой частоты дипольные молекулы не успевают ориентироваться в вязкой среде и следовать за изменением поля. Отставание поляриза­ции можно охарактеризовать зависимостями, показанными на рис. 6.15,а. Оно выражается в появлении некоторого угла фазового запаз­дывания ψ; между поляризованностью диэлектрика Рдр и напряженно­стью поля.

С помощью кривых рис. 6.15,а легко показать, что зависимость Рдр (Е) при наличии фазового сдвига между ними имеет форму эллип­са (рис. 6.15,6). Интеграл по замкнутому контуру о-б-г-е-о, т.е. площадь петли переполяризации, характеризует энергию, затрачивае­мую электрическим полем на поляризацию единицы объема диэлект­рика за один период:

При низкой температуре из-за большой вязкости жидкого диэлект­рика велико время релаксации поляризации (τo>>1/ ω), возмож­ности поворота диполей в вязкой среде крайне ограничены. Поэтому амплитудное значение поляризованности Рдр оказывается незначительным;

г)

Рис. 6.16. Особенности релаксационных потерь в диэлектриках

соответственно, мал и тангенс угла диэлектрических потерь. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, а время релаксации приближается к времени периода изменения поля. Дипольно-релаксационная поляризация получает большее развитие, бла­годаря чему возрастает tgδдp. При еще более высоких температура время релаксации становится существенно меньше времени периода изменения напряженности поля. Поэтому практически исчезает за­паздывание поляризации относительно поля (т. е. уменьшается угол отставания по фазе ψ) и уменьшаются релаксационные потери.

С повышением частоты максимум tgδдp смещается в область более высокой температуры. Это связано с тем, что при меньшем времени полупериода инерционность поворота диполей будет сказываться даже при малых то, т. е. при более высоких температурах.

На рис. 6.16,6 приведены два максимума частотной зависимости tgδдp при двух температурах; еще раз подчеркивается различие в час­тотных зависимостях tgδдp и активной мощности Ра.др (на рисунке кривая Ра.др дана только для температуры T2). Возрастание потерь с ростом частоты обусловлено усиливающимся отставанием поляриза­ции от изменения поля (возрастает угол ψ). Когда же частота становит­ся настолько велика, что то τo>>1/ ω, дипольно-релаксационная по­ляризация выражена очень слабо, т.е. амплитудное значение поляризованности Рдр оказывается незначительным. Поэтому малы потери энергии за период Эдр, а соответственно мало значение tgδдp, ха­рактеризующего эти потери. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации диэлектрика в единицу времени и актив­ная мощность, выделяющаяся в диэлектрике, остается практически постоянной, несмотря на уменьшение tgδдp с ростом частоты, что на­ходится в соответствии с формулой (6.17).

На рис. 6.16 в) показано взаимное расположение частотных зави­симостей трех параметров диэлектрика εдр, ε"др и tgδдp характери­зующих дипольно-релаксационную поляризацию.

Рис. 6.16, г—е характеризует изменение потерь с учетом вкладов релаксационного механизма и электропроводности диэлектрика.

Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в част­ности, полупроводящие вещества, например, восстановленные окис­лы, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлект­риков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь.

3) Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием ве­щества.

4) 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 tgδ характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум не смещается

Диэлектрические потери в зависимости от агрегатного состояния вещества

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна 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 жидких диэлектриках. Если неполяр­ная жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, то потери в них обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость нейтральных чистых жидкостей очень мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgδ которого очень мал и поддается расчету по формуле (6.27).

Полярные жидкости в зависимости от условий (температуры, час­тоты) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь на электропроводность. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре составляет 10^-10—10^-11 См/м.

Дипольно-релаксационные потери, наблюдаемые в вязких жидкос­тях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, значительно превосходят потери на электропроводность.

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны и могут быть меньше потерь на элект­ропроводность. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже в маловязкой жидкости велики и превосходят потери на электро­проводность. Ввиду этого полярные жидкости не могут быть использо­ваны при высокой частоте.

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.