Диэлектрические потери. Тангенс угла диэлектрических потерь

При воздействии электрического поля на любое вещество в последнем наблюдается рассеяние некоторого количества электрической энергии, превращающейся в тепловую. Обычно говорят о «потерях», имея в виду среднюю за некоторый промежуток времени рассеиваемую электрическую мощность. Как правило, потери прямо пропорциональны квадрату напряженности поля:

Р_а_≡ Е²;

Диэлектрическими потерями называют мощность рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

В диэлектрике помещенном в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е и угловой частотой ω, возникают электрические токи двух видов: ток смещения и ток проводимости. Плотности тока смещения:

J_см= ωεε₀Е

Плотность тока проводимости:

J_пр= γ_аЕ,

Где γ_а – удельная активная проводимость диэлектрика на угловой частоте ω.

Плотность общего тока J равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости (рис.1). если бы диэлектрик был идеальным т.е. без потерь (γ_а=0), ток был бы чисто реактивным и его плотность была бы направлена по мнимой оси под углом 90˚ к вектору Е.

J_см

J

δ

φ

J_пр Е

Рисунок 1 – Векторная диаграмма плотностей тока в диэлектрике

Однако у реальных диэлектриков, с γ_а ≠ 0, суммарный ток сдвинут на угол δ=90˚- φ относительно тока идеально диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше γ_а, тем больше угол δ, характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального. Угол δвекторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла:

tgδ = J_пр/ J_см = γ_а /(ωεε₀)

Является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но также и конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, значение tgδ не должно превышать 10^-3- 10^-4. Значение tgδ диэлектриков, предназначенных для работы в менее ответственных условиях, допускается много большей.

Наряду с потерями tgδ характеризует добротность конденсатора (а следовательно и максимально возможную добротность контура с данным конденсатором):

Q =1/ tgδ

Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении напряжения U (действующее значение) с угловой частотой ω выражаются:

Р_а= U² · ω · C · tgδ

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. В связи с эти стремятся снизить tgδ диэлектрических потерь. Они могут быть следующих видов: потери на электропроводность, релаксационные потери, резонансные потери и ионизационные потери.

Удельная мощность общих потерь складывается и сумму мощности потерь на электропроводность, мощностей дипольных релаксационных потерь, резонансных потерь, миграционных потерь и ионизационных потерь.