Виды диэлектрических потерь

Существует четыре основных вида диэлектрических потерь.

Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой ионов). В сегнетоэлектриках потери связаны с наличием спонтанной поляризации. К этому же виду потерь относят резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Характерны для диэлектриков, имеющих поверхностную или объёмную электропроводности (большие значения). Эти потери не зависят от частоты и увеличиваются с повышением температуры.

Ионизационные потери. Характерны для газообразных диэлектриков. Проявляются при напряжённостях поля, превышающих значение напряжённости, при котором начинается ионизация газа.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры диэлектрика. Проявляются в слоистых диэлектриках, пластмассах с наполнителем, керамике, Зависит от состава диэлектрика.

Диэлектрические потери в газах. Источником диэлектрических потерь в газе в основном может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. При напряжённости поля ниже того значения, при котором начинается ионизация газа, диэлектрические потери незначительны. На рисунке 1.19 показана зависимость tg  от напряжения для диэлектрика с газовыми включениями. При напряжённости поля выше точки ионизации «С» начинается ионизация. Молекулы газа ионизируются и растут потери на ионизацию, достигая максимума при напряжении U_max≈2U_и. При напряжении пробоя U_max все воздушные включения ионизированы и энергия на ионизацию новых включений не требуется, tg d уменьшается.

Ионизация газа, заполняющего поры твёрдого диэлектрика, может привести к разогреву и разрушению изделий, включающих газовые включения (особенно это касается керамики). Ионизация воздуха происходит с выделением озона и оксидов азота, что ведёт к химическому разрушению твёрдой изоляции, содержащей газовые включения.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В жидких неполярных диэлектриках диэлектрические потери вызваны электропроводностью, поэтому они определяются сквозным током, значение которого зависит от удельной проводимости. С ростом температуры удельная проводимость экспоненциально возрастает, следовательно, возрастают и диэлектрические потери.

С ростом частоты в неполярных диэлектриках ёмкостной ток, протекающий через диэлектрик, возрастает, сквозной ток остаётся без изменений, следовательно, с ростом частоты диэлектрические потери падают. Для полярных диэлектриков (совол) диэлектрические потери вызваны электропроводностью и поляризацией, которые обуславливают значение сквозных токов и токов абсорбции. При низких температурах вязкость диэлектриков настолько велика, что диполи не могут ориентироваться по полю (“заморожены”). Проводимость жидкости мала, поэтому малы значения сквозных токов и токов абсорбции, следовательно и потери малы (видно на графике рис.1.20). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше, и они участвуют в поляризации. Так как ориентация молекул происходит с трением, то на работу, затрачиваемую для этого, идёт энергия, которая и рассеивается в диэлектрике. При этом возрастает активная составляющая тока абсорбции. При определённой температуре вязкость жидкости уменьшается до того значения, при котором диполи поворачиваются на максимальный угол и становятся противоположно ориентированными полю, при этом tg  (диэлектрические потери) максимальные.

При дальнейшем повышении температуры тепловое движение дезориентируется, то есть диэлектрические потери уменьшаются. Дальнейшее повышение температуры вызывает рост проводимости жидкого диэлектрика, при этом возрастает сквозной ток, следовательно, возрастают и потери. На низких частотах диэлектрические потери в полярных диэлектриках определяются электропроводностью, то есть не изменяющимся со временем сквозным током. Диэлектрические потери, вызываемые током абсорбции в этом случае малы, так как число поворотов диполей в единицу времени мало. При повышение частоты повышается реактивная составляющая тока, и диэлектрические потери уменьшаются, вплоть до минимума. С ростом частоты увеличивается число поворотов диполей, возрастают потери вызванные током абсорбции, потери достигают своего максимума. При дальнейшем росте частоты для поворота диполей становится недостаточно времени, ток абсорбции уменьшается, и с ним уменьшаются диэлектрические потери, вплоть до минимальных.

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках зависят от структуры, от строения диэлектрика и его состава.

Диэлектрические потери в диэлектриках с молекулярной структурой зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают малыми диэлектрическими потерями (церезин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен фторопласт 4).

Твёрдые диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами - это материалы на основе целлюлозы(бумага, картон), полярные полимеры, (полиметилметакрилат, фенолформальдегидные смолы). Они обладают высокими потерями, зависящими от температуры, которые обусловлены дипольно-релаксационной поляризацией.

Значение диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков с ионной структурой зависит от упаковки ионов кристаллической решётки. У диэлектриков с плотной упаковкой ионов без примесей диэлектрические потери незначительны, но с повышением температуры в таких диэлектриках возникают потери, связанные с электропроводностью (корунд ). Но при небольших количествах примесей диэлектрические потери резко увеличиваются. Вещества с неплотной упаковкой ионов (муллит, кордеирит, -глинозем). В этих веществах диэлектрические потери высоки, вызваны наличием релаксационной поляризации.

Диэлектрические потери в аморфных диэлектриках ионной структуры (неорганические стёкла). Потери связаны с электропроводностью и поляризациями. Возможны два варианта потерь:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте. Они обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Для снижения потерь производят термическую обработку – отжиг или закалку – для изменения структуры стекла.

б) потери, заметно возрастающие с температурой по экспоненциальному закону и мало зависящие от частоты. Эти потери вызываются передвижением слабосвязанных ионов. Обусловлены электропроводностью, появляются при температурах 50 ^оС - 100^оС. Чем большую электропроводность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов вызывает значительное повышение диэлектрических потерь (рис.1.21). Введение тяжелых оксидов снижает диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в твёрдых неоднородных диэлектриках. К ним принадлежат материалы, в состав которых входит не менее 2-х компонентов (керамика, слюда, пропитанная бумага). Потери зависят от химического состава компонентов, входящих в диэлектрик, от количественного соотношения и остаточных воздушных включений. Так, зависимость tg  от температуры для бумаги, пропитанной компаундом (рис.1.22), имеет два максимума: первый характеризует дипольно-радикальные потери самой бумаги, второй обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

У сегнетоэлектриков диэлектрические потери вызваны спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Выше точки Кюри (125°) диэлектрические потери (tg d) падают, а до этого достаточно высоки. Изменения tg d от температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твёрдых полярных диэлектриков.