Потери энергии и электрическая прочность диэлектриков

Лекция 2. Потери энергии в диэлектриках, механические и тепловые и физико-химические характеристики материалов

Содержание лекции:

- потери энергии в диэлектриках и его электрическая прочность;

- основные механические характеристики материалов;

- тепловые характеристики материалов;

- физико-химические характеристики материалов.

Цели лекции:

- изучение потерь энергии и электрическая прочности диэлектриков;

- изучение механических характеристик материалов;

- изучение тепловых характеристик материалов;

- изучение физико-химических характеристик материалов.

Активные потери энергии в диэлектрике при его работе в переменном электрическом поле характеризуются т ангенсом угла диэдектрических потерь tgδ.

Известно, что мощность, выделяемая в проводнике, подключенном в цепь постоянного тока Р ₌, и мощность при его подключении в цепь переменного тока Р _~ будут одинаковыми, если действующее значение переменного тока будет равно значению постоянного Р₌ = Р _~.

Если же диэлектрик один раз включить под постоянное напряжение, а другой – под переменное, мощность, выделяемая в диэлектрике, включенном под переменное напряжение, будет значительно больше мощности, теряемой при включении его под постоянное напряжение Р_~ > Р₌.

В диэлектрике, работающем под переменным напряжением, проходят три тока, сдвинутые по фазе (по времени): смещения I_см, абсорбции I_абс, и проводимости I_пр. Эти токи и напряжение U, приложенное к диэлектрику, изображены в виде векторной диаграммы на рисунках 2.1-б.

Напряжение на векторной диаграмме изображено в виде горизонтального вектора U. Ток смещения I_см опережает напряжение на 90°, ток абсорбции тоже опережает напряжение по фазе, но меньше, чем на 90°, а ток проводимости I_пр совпадает по фазе с напряжением. На рисунке 2.1-в показан общий ток I в диэлектрике, полученный сложением векторов всех трех токов. Угол между вектором напряжения U и вектором общего тока I обозначают буквой φ и называют углом сдвига фаз. Угол между вектором общего тока I и вектором тока смещения I_см обозначают буквой δ и называют углом диэлектрических потерь.

Вектор тока абсорбции I_абс разложим на активную I_{А абс} и реактивную

I_{Р абс} составляющие. Сумма токов проводимости I_пр и активной составляющей тока абсорбции I_{А абс} является активной составляющей I_А общего тока I в диэлектрике, т.е. I_А = I_пр + I_{А абс}. Сумма токов смещения I_см и реактивной составляющей тока абсорбции I_{Р абс} представляет собой реактивную составляющую I_Р общего тока I, т.е. I_Р = I_см + I_{Р абс}.

а) б) в)

Рисунок 2.1 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а), векторное изображение токов (б), сложение токов в диэлектрике (в).

Активная мощность (Вт), рассеиваемая в диэлектрике (например в конденсаторе), равна произведению напряжения, приложенного к конденсатору, на сумму активных токов Р_А = U I_А. Реактивная мощность (В·А) равна произведению приложенного напряжения на сумму реактивных токов Р_Р = U I_Р.

Из векторной диаграммы токов находим I_А / I_Р = tgδ, как известно реактивный (емкостный) ток I_Р = U ωC, отсюда находим выражение для активного тока конденсатора

I_А = U ωC tgδ, (1)

а активная мощность, рассеиваемая в диэлектрике конденсатора, будет соответственно

Р_А = U² ωC tgδ. (2)

Из выражения (2) следует, что при заданных напряжении U, частоте ω, и емкости С активные потери в диэлектрике будут зависеть от tgδ. Чем меньше значение tgδ, тем лучшего качества диэлектрик, т.к. в нем меньше потери энергии.

Наименьшими значениями tgδ = 10^-6 ÷ 10^-5 обладают газообразные диэлектрики. У твердых качественных диэлектриков, применяемых в высо-кочастотных узлах РЭА, tgδ = (2 ÷ 5) ·10^-4.

Электрическая прочность Е_пр – напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика или полупроводника.

Электрическую прочность диэлектрика Е_пр (В/м) в однородном элек-трическом поле вычисляют по формуле Е_пр = U_пр / h, где U_пр – напряжение, при котором произошел пробой диэлектрика, В; h – толщина образца диэлектрика в месте пробоя, м.