Потери энергии в диэлектриках

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими про­цессами, поскольку при поляризации перемещаются электриче­ские заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризация, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (/_см). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осу­ществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации, называется током абсорбции (/_абс). Кроме этих двух токов, через каждый диэлект­рик проходит еще ток проводимости (/_пр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов:

I = /_см + /_абс + /_пр .

Изменение этого тока в зависимости от времени его протека­ния (т) в диэлектрике (с момента приложения постоянного на­пряжения) показано на рис. 17.5.

В первый момент приложения напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в ди­электрике остается лишь ток проводимости (/пр). Это объяс­няется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекра­щаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями. Так обстоит дело при постоянном напряжении. Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находиться под переменным на­пряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изо­бразить в виде векторной диаграммы, показанной на рис. 17.6. Здесь напряжение U отложено в виде горизонтально располо­женного вектора, ток смещения /см (как опережающий напря­жение на полпериода, 90°) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Поскольку ток абсорбции не является мгновенным, он изображается вектором /_aдс , который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода. Ток же проводимости /_пр совпадает по времени (по фа­зе) с напряжением U. Пользуясь правилом геометрического сло­жения векторов, сложим три тока, перенося векторы Iабс и Iпр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора /_об (рис. 60). Угол между векторами общего тока /_об и напряжения U обозначают греческой буквой φ (фи) и .называют углом сдвига фаз. Угол, дополняющий φ до 90°, т. е. угол между общим током /_об и током смещения /_см, обозначают греческой буквой б (дельта) и называют углом диэлектрических потерь.

Рис. 17,5. Изменение тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения.

Рис. 17.6. Векторная диаграмма токов в диэлектрике под переменным напряжением.

Из векторной диаграммы токов (рис. 17.6) находим, что

I_a/ I_p = tgδ

Из этого соотношения следует, что величина активного тока в диэлектрике:

I_a = I_p tgδ.

Формула для подсчёта активной мощности имеет вид:

Р_а = U²ωC tgδ, вт (16),

где ω – круговая частота = 2πf; f – частота переменного тока.

Из этой формулы (16) следует, что при заданной величине на­пряжения, его частоте и емкости потери энергии в изоляции 6yдут зависеть от значения tg δ.

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.

Для определения потерь диэлектрика удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен 90°, поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м³:

Р= kE²f ε tg δ ,

Где k - коэффициент; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц.

Произведение ε tg δ называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tg δ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg δ = 0,1-0,001) и высокочастотные (tg δ < 0,001).

К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.

Величина tgδ называется тангенсом угла диэлектрических потерь, т.к. она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов tgδ находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение tgδ, тем лучше диэлектрик, т.к. в нём будут меньшие потери энергии. Последние же могут вызывать нагрев диэлектрика и преждевременное его разрушение.

Величина tgδ, как и величина диэлектрической проницаемости ε зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. На рис. 17.7 показан общий вид зависимости tgδ от температуры для полярного и нейтраль­ного диэлектриков. С увеличением температуры облегчается поворот полярных молекул ( диполей) в результате снижения вязкости диэлектрика, т.е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот всё увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина tgδ возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), tgδ начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому величина tgδ падает до наименьшей вели­чины (точка b), Затем вновь происходит увеличение tg δ, но это вызвано увеличением тока проводимости (/_пр) в диэлектрике.

Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных диэлектриках с ростом температуры tg δ всё время возрастает в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.

Рис. 17.7. Зависимость тангенса угла диэлелектрических потерь от температуры: 1 – нейтральный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик.

Рис, 17.8. Зависимость тан­генса угла диэлектрических потерь от частоты прило­женного напряжения : 1 – нейтральный диэлектрик,

2 – полярный диэлектрик

Зависимость tgδ от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков пред­ставлена графиками на рис, 17.8. Здесь с увеличением частоты нарастают потери энергии а диэлектрике в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться и на это будет затра­чиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до опре­деленной частоты f_макс , соответствующей наибольшей величине tgδ, после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение tgδ у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимостив диэлектрике, т.к. ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводи­мости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением tgδ.

Пробой диэлектриков

Диэлектрики применяют в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Это явление на­зывается пробоем диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение друг с другом проводников, находящихся под напряжением.

Пробой - это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств.

Электрической прочностью пробивной напряженностью называется отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10^-7 – 10^-8 с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.

Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше пробивная напряженность. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.

Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля (Е_пр), которая определяется величиной напряжения, когда про­исходит пробой (пробивное напряжение - U_пр ), отнесённой к единице толщины (h) диэлектрика:

Для однородного диэлектрика

Е_пр = U_пр/h кв/мм. (17)

E_пр - напряженность электрического поля при которой наступает пробой, В/м;

Электрическая прочность - важный параметр конденсаторных диэлектриков, т.к. h выбирается малой.

Различают:

• Тепловой пробой.

При Е_пр подводимое тепло больше отводимого, T^o диэлектрика резко растет, диэлектрик разрушается.

• Электрический пробой.

В результате действия поля электроны разгоняются, выбиваются новые электроны, происходит лавинное размножение носителей и пробой диэлектрика

Ионизационный пробой твердых диэлектриков происходит при ионизации жидкости и газа, которые находятся во внутренних порах диэлектрика.

Перекрытие твердых диэлектриков характеризуется пробоем их по поверхности.

Величина напряжённости электрического поля (Епр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется его элект­рической прочностью.

Сам процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, ког­да сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Умень­шение сопротивления вследствие нагрева диэлектрика вызывает увеличение тока, что в свою очередь вызывает большее повыше­ние температуры, до тех пор пока электрический ток не достиг­нет такой величины, при которой диэлектрик термически разру­шается (проплавляется). В этом случае пробой диэлектрика на­зывают тепловым пробоем.

Место пробоя в диэлектрике (сквозной канал) имеет повы­шенную проводимость.

Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов. Количество сво­бодных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает, и процесс нарастания электронов оканчивается про­боем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электриче­ским пробоем.

В случае теплового пробоя величина Е пр (или Uпр) зависит от температуры диэлектрика (рис. 17.9). Аналогичная кривая наблюдается в случае зависимости этих величин от времени воз­действия (τ) приложенного напряжения (рис. 17.10). Эту кривую часто называют « кривой жизни диэлектрика», т.к. по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряжённости электрического поля.

Электрическая прочность Е_пр диэлектрика в случае электри­ческого пробоя не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика электрический пробой переходит в тепловой (рис. 65). При этом Еnp диэлектрика уменьшается с ростом его температуры. Это объясняется тем, что подогревая диэлектрик, мы облегчаем его тепловое разрушение.

Рис. 17.9. Зависимость

электри­ческой прочности диэлектрика от температуры при тепловом пробое

Рис. 17.10. Зависимость электрической прочности диэлектрика от времени Воздействия электриче­ского напряжения

Итак,

основными электрическими харaктepиcтикaми, которые позволяют оценить электрические свойства электроизоляционных материалов, являются следующие:

- удельное объемное сопротивление р_v ;

- удельная объёмная проводимость γ_v;

- удельное поверхностное сопротивление р_ы

- удельная поверхностная прово­димость т s ;

- диэлектрическая проницае­мость ε;

- тангенс угла диэлектрических потерь tgδ;

- электрическая прочность материала Е_п.

Физические, химические, радиационные и механические свойства диэлектриков.

Выбор материала для радиоаппаратуры должен быть обоснован по электрическим, физико-химическим и механическим свойствам. К изделиям радиоэлектронной аппаратуры предъявляются различные требования : вибропрочность, стойкость против воздействия повышенных температур, влажности, мороза, радиоактивных излучений и т.д.

Для электроизоляционных материалов решающее значение имеет их нагревостойкость, т.е. способность без ущерба для свойств выдержать нагрев в течение длительного времени. По нагревостойкости диэлектрики разделяют на семь классов (ГОСТ 8865-70), обозначенных Y, А, Е, В, F, Н, С. В классе Y объединены наименее стойкие целлюлозные, шелковые и полимерные материалы, для них рабочая температура не превышает 90°С. самыми нагревостойкими являются материалы класса С - слюда, керамика, стекло, ситаллы, а также полиимиды и фторопласт-4 они выдерживают длительный нагрев 180°С и выше.

Большое влияние на свойства диэлектриков оказывают гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих пленок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончится пробоем. При переменном напряжении с увлажнением диэлектрика , его тангенс угла диэлектрических потерь весьма заметно увеличивается.

Гигроскопичность – способность диэлектрика впитывать в себя влагу из окружающей среды.

Влагопроницаемость – способность диэлектриков пропускать через себя влагу. Она обусловлена наличием в материале пор, размер которых составляет 5,0-300,0* 10^-8 см. Наиболее гигроскопичны материалы с порами и капиллярами на поверхности - бумага, обычная пористая керамика, слоистые пластики. Проницаемость для водяных паров исключительно важна для пропиточных, заливочных и других защитных материалов. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры. Для изделий из гигроскопичных диэлектриков используют пропитку, защищают поверхности лаками, глазурью и т.п.

Морозостойкость - способность диэлектрика выдерживать низкие температуры без ухудшения их свойств. При низких температурах эл. свойства диэлектриков улучшаются. Однако многие диэлектрики при низких температурах становятся весьма хрупкими, поэтому возникает необходимость их испытывать при одновременном воздействии вибрации.

Теплопроводность .

Чем больше теплопроводность диэлектрика, тем значительнее его эл. прочность при тепловом пробое. Минимальной удельной теплопроводностью обладает воздух, поэтому, чем больше воздушных включений в диэлектрике, тем меньше его теплопроводность.

Для хрупких диэлектриков исключительно важно учитывать тепловое расширение, особенно когда речь идет о работе в условиях быстрых смен температуры или о соединении диэлектриков с металлами. Его оценивают по температурному коэффициенту линейного расширения:

ТК_l = 1/l * dl/dt град.^-1.

Чем меньше ТК_l диэлектрика, тем выше нагревостойкость . ТК_l диэлектриков имеет значение при герметизации отдельных узлов аппаратуры.

Температурный коэффициент линейного расширения керамики и тугоплавкого стекла не превышает 8-IO^{-6 о}C^-1, у легкоплавких стекол он равен (15-30)* 10^{-6 о} C^-1, а у ситаллов в зависимости от химического состава -(- 4 - 31,5) * lO ^{–6 о}C ^–1. Особенно велико тепловое расширение органических диэлектриков [а = (60 - 100) lO ^{–6 о}C ^–1], но а пластмассах с неорганическими наполнителями оно примерно такое же как у металлических сплавов. Кроме того органические диэлектрики достаточно пластичны, для них термические напряжения не столь опасны.

Прочность диэлектриков и в особенности их механически свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Механические свойства диэлектриков имеют большое значение , когда детали подвергаются воздействию нагрузок и вибраций. В связи с этим диэлектрики испытываются на: прочность, хрупкость, твёрдость, пластическое течение, эластичность и вибростойкость. Керамика, стекло и ситаллы - наиболее прочные диэлектрики. Характерной особенностью этих материалов является хрупкость; их прочность на сжатие в несколько раз больше прочности на изгиб. Предел прочности на изгиб равен 30 - 300 МПа, увеличиваясь до 500 МПа у ряда ситаллов.