Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь и тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь называют угол δ, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между напряжением, приложенным к диэлектрику, и протекающим в нем током. В идеальном диэлектрике угол равен нулю. Чем больше рассеивается мощность в диэлектрике, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь φ.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ характеризует отношение активной составляющей к емкостной составляющей проводимости.

Рассмотрим механизм диэлектрических потерь. Диэлектрические потери­– это часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает.

Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля и электрической индукцией, который и обусловливает потери энергии W_ε. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции D отстаёт от вектора электрического поля Е на некоторый угол δ, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с другими частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации τ₀ во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и диэлектрические потери очень малы. При малых частотах, когда время релаксации τ значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и диэлектрические потери также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Диэлектрические потери имеют максимальное значение, когда выполняется равенство ω = 1/τ₀, где ω − круговая частота электрического поля: ω = 2π/T.

Описанный механизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 5.4).

Рис. 5.4 Модель диэлектрика, состоящего из осцилляторов − упруго связанных электрических зарядов

Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, диэлектрические потери незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и диэлектрические потери W_ε велики и имеют максимум при равенстве этих частот ω = ω₀ (рис. 5.5). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (10¹²÷10¹³ Гц). Так как реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.

Рис. 5.5 Зависимость W_ε (ω) для диэлектрика, состоящего из одинаковых осцилляторов, изображённых на рис. 5.4

Величина диэлектрических потерь в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

W_ε = U ² ω C tg δ, (5.16)

где U − напряжение на обкладках конденсатора, С − ёмкость конденсатора. Диэлектрические потери в 1 см³ диэлектрика в однородном поле Е равны:

W_ε = E² ω ε tgδ, (5.17)

где ε − диэлектрическая проницаемость.

Произведение ε∙tgδ называется коэффициентом диэлектрических потерь. Уменьшение величины диэлектрических потерь имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева диэлектриков в электрическом поле высокой частоты.

Диэлектрические потери подразделяют на несколько видов.

Потери на электропроводность. Потери этого вида свойственны диэлектрикам, обладающим заметной электропроводностью. Значение тангенса угла диэлектрических потерь может быть найдено по формуле

tg δ = 1,8·10¹⁰/(εfρ),

где ε ‒ диэлектрическая проницаемость, f ‒ частота, ρ ‒ удельное электрическое сопротивление диэлектрика.

Релаксационные потери. Такой вид потерь характерен для диэлектриков с замедленными видами поляризации, проявляются при высоких частотах электрического поля, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери зависят от времени релаксации τ₀ и периода изменения поля:

–при τ₀ ≪ 1/ω происходит полная поляризация, потерь практически нет;

–при τ₀ ≫ 1/ω происходит незначительная поляризация, потери низки;

–при τ₀ ≈ 1/ω время поляризации сравнимо с периодом изменения поля, потери максимальны.

Ионизационные потери. Данный вид потерь наблюдается в газах и пористых твердых диэлектриках. Активные ионизационные потери в порах можно приближенно рассчитать по формуле:

P_а.и. = A₁f (U − U_и)³ ,

где A₁ – эмпирическая константа, U_и – пороговое напряжение ионизации. Ионизационные потери приводят к разогреву диэлектрика.

Резонансные потери. Резонансные потери связаны с резонансной поляризацией, проявляются при совпадении частоты электрического поля с собственной частотой колебания осцилляторов. Фактически в этих условиях конденсатор ведет себя как активное сопротивление.

Потери на гистерезис. Характерны только для сегнетоэлектриков, которым свойственна доменная поляризация, сопровождающаяся в переменных полях диэлектрическим гистерезисом. Потери на гистерезис существуют при температурах ниже точки Кюри.

Диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре (особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах), поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте. Материалы, предназначенные для применения в этих условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости. Большие диэлектрические потери в электроизоляционных материалах вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.