« Диэлектрические потери»

Диэлектрические потери - это мощность электрического то­ка, рассеиваемая в диэлектрике в виде тепла. Численно диэлектри­ческие потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических по­терь tgδ, где δ - угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между векторами тока и напряжения в цепи с емкостью (δ = 90° - φ).

При приложении переменного напряжения к конденсатору с идеальным диэлектриком угол сдвига фаз между током и напряже­нием φ = 90° (рис. 19,а), δ = 0, тепловых потерь нет.

Для расчета потерь мощности в реальном диэлектрике при воз­действии переменного напряжения используют эквивалентную схе­му, заменив конденсатор с реальным диэлектриком на идеальный конденсатор с параллельно (или последовательно) включенным ак­тивным сопротивлением (рис. 19,6). Потери мощности Р_а (Вт) вызы­вает активная составляющая тока

P_а =U•I_a

Учитывая, что I_а =I_с ·tg δ, a I_c =U -ω-С, получаем

Р_а =U² ω C tgδ,

где (U- напряжение, В; ω - круговая частота тока, с ^-1.)

Рисунок 19 Схема определения диэлектрических потерь: а - конденсатор с иде­альным диэлектриком (tgδ = 0); б - параллельная эквивалентная электрическая схема конденсатора с реальным диэлектриком (tgδ > 0)

Виды диэлектрических потерь:

• потери от сквозной проводимости (на электропроводность);

• релаксационные;

• ионизационные;

• резонансные.

Потери на электропроводность (от сквозной проводимости) - основные потери для неполярных диэлектриков. Они не зависят от частоты приложенного напряжения (Р_а = const), tgδ уменьшается с частотой поля f по гиперболическому закону (рис. 20,а)

Рисунок 20 Зависимости диэлектрических потерь от частоты тока (а) и температу­ры (б)

tgδ=1,8•10 ¹⁰

ε • f • ρ

где ρ - сопротивление, измеренное на постоянном токе;

ε - относи­тельная диэлектрическая проницаемость на данной частоте.

Потери сквозной проводимости возрастают с ростом темпера­туры по экспоненциальному закону (рис. 20,6).

Р_ат=А-ехр(-b /Т),

где A, b - постоянные материала

Релаксационные потери характерны для диэлектриков с за­медленными видами поляризации. Они наблюдаются в полярных жидкостях с дипольно-релаксационной поляризацией, а также у ли­нейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации (неорганические стек­ла, полимеры, керамика, кристаллические вещества, с неплотной упаковкой атомов и др.).

Релаксационные потери сильно зависят от температуры и час­тоты поля. При низких температурах время релаксации поляризации велико (t_о»1/ω)), tgδ мал. С повышением температуры сте­пень поляризации молекул увеличивается, и tgδ возрастает. При температуре, соответствующей наибольшему развитию дипольно-релаксационной поляризации (время релаксации приближается к периоду изменения поля), tgδ достигает максимального зна­чения. При дальнейшем повышении температуры время релаксации становится меньше времени периода изменения поля, ориенти­рующее влияние поля ослабевает, релаксационные потери умень­шаются, однако с учетом потерь на электропроводность общие по­тери возрастают. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля.

Ионизационные потери в диэлектрике обусловлены процес­сами ионизации под действием электрического поля. Они свойст­венны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются в не­однородных электрических полях при напряженностях, превышаю­щих значение, соответствующее началу ионизации данного газа.

Резонансные потери - это интенсивное поглощение энергии электромагнитного поля газом при определенной частоте. С ростом частоты поля релаксационные потери увеличиваются, так как возрастает отставание поляризации от изменения поля. Когда же частота настолько велика, что поляризованность диэлектрика становится незначительной, мало и значение tgδ. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации в единицу времени, и активная мощность, рассеиваемая в диэлектри­ке, остается практически постоянной, несмотря на уменьшение tgδ с ростом частоты.