Диэлектрические потери в диэлектриках

При воздействии на диэлектрик электрического поля часть энер­гии поля в диэлектрике переходит в тепло и вызывает нагрев ди­электрика. Эта,часть энергии, рассеиваемая в диэлектрике в едини­цу времени при воздействии на диэлектрик электрического поля на­зывается диэлектрическими потерями. Диэлектрические потери в ма­териале можно характеризовать удельными потерями (рассеиваемая мощность в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических по­терь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения в ем­костной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на , при этом угол будет ра­вен нулю, а в реальном диэлектрике угол отклонения отличается от прямого на угол . Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощ­ность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз и боль­ше угол диэлектрических потерь и его функция

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизоляци­онном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Реальный диэлектрик, находящийся между электродами,можно упо­добить схемам соединения идеального конденсатора с активным со­противлением. На рис.1 представлены векторные диаграммы и эквивавалентные схемы диэлектрика с потерями. Эти схемы выбираются с та­ким расчетом,чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Угол потерь не зависит от выбора схемы. Рассмотрен­ные эквивалентные схемы не дают полного объяснения механизма ди­электрических потерь и вводятся только условно.

Природа диэлектрических потерь в диэлектриках различна. Ди­электрические потери могут обусловливаться малыми по величине то­ками сквозной проводимости, или токами утечки, возникающими в тех­нических диэлектриках из-за наличия в них небольшого числа сво­бодных зарядов.

Диэлектрические потери обусловливаются замедленной поляриза­цией вследствие возникновения токов смещения или абсорбционных токов. Явление запаздывания поляризации зависит от времени релак­сации полярных молекул, времени переброса ионов в тепловом движе­нии и является основой диэлектрических потерь.

При постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику .диэлек­трические потери обусловлены явлением сквозной проводимости. Токи сквозной проводимости имеют малое значение и зависят преимущест­венно от содержания примесей. Поэтому при воздействии на диэлек­трик постоянного напряжения диэлектрические потери будут незначи­тельны.

При переменном напряжении рассеивание энергии происходит не только вследствие некоторой электропроводности диэлектрика, но также из-за наличия активных составляющих поляризационных токов.

В технических диэлектриках, помимо потерь от сквозной элек­тропроводности и потерь от замедленной поляризации, возникают по-

7

тери, обусловленные наличием посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, окислов железа и т.д.

В случае высоких напряжений потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика.

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностям и физической при­роде можно подразделить на четыре основных вида.

1. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Данный вид потерь наблюдается в веществах, обладающих релаксационной поляризацией. Релаксационные диэлектрические потери вызываются на­ рушением теплового движения частиц под влиянием приложенного элек­трического поля, что и приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. К этому виду потерь относятся также резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при световых частотах.

2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объ­емную или поверхностную электропроводность.

3. Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии и твердым диэлектрикам с газообразными включениями.

4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, наблюдаются в слоистых диэлектриках, пористой керамике, в пластмассах о наполнителем и т.д.

Д иэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость в значительной мере зависят от температуры и частоты приложенного поля. Характер температурно-частотных зависимостей

определяется природой диэлектрика.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частота

у нейтральных диэлектриков изменение частоты вызывает, как правило, лишь незначительное изменение величины

Влияние же изменения частоты приложенного напряжения на диэлектрическую прони­цаемость полярных диэлектрик» может быть весьма существенно. На рис.2 представлена зависимость от частоты для по­лярной жидкости (совола). В начальный период величина диэлектрической про­ницаемости соответствует диэлектричес-

к ой проницаемости, определенной при постоянном напряжении. Когда частота становится настолько большой, что молекулы не успевают следовать за изменениями поля, диэлектрическая проницаемость уменьшается. С дальнейшим увеличением частоты ориентация диполей пре­кращается, в результате чего дипольная поляризация исчезает и ве­личина диэлектрической проницаемости определяется лишь элек­тронной поляризацией.

Зависимость диэлектрических потерь от частоты

Х арактер зависимости тангенса уг­ла диэлектрических потерь от частоты для диподьной жидкости представлен на рис.3. Потери возрастают до тех пор пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда частота увели­чивается настолько, что диполи не ус­певают полностью ориентироваться в на­правлении поля, диэлектрические поте­ри падают.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости обычно характеризуется температурным коэффициентом диэлектричес­кой проницаемости, которая определяется из выражения:

Данная формула позволяет вычислить относительное изменение диэлектрической проницаемости при повышении температуры на один градус.

Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры неполярных диэлектриков определяется уменьшением числа молекул в единице объема в результате теплового расширения диэлектриков. При переходе диэлектрика под влиянием температуры в жидкое или газообразное состояние его диэлектрическая проницаемость уменьша­ется скачкообразно (рис.4).