Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

P = U²·ωC·tgδ,

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика с потерями

Виды диэлектрических потерь.

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

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

(рис. 4,a).

Они не зависят от частоты:

P = U²/R.

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

P = A·exp(–b/T),

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле:

tgδ = , (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле:

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Но так как у газов электропроводность очень мала, то угол диэлектрических потерь ничтожно мал. Величину tgδ можно определить по формуле (1). Для газа tgδ ≈ 4·10^–8.

При напряженностях поля больше E_кр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t₁. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном жидком диэлектрике

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

3. Сегнетоэлектрики.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.