Общие определения

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Если на диэлектрик воздействует переменное электрическое поле напряженностью Е и круговой частотой ω, то в нем возникают электрические токи двух видов: ток смещения  или емкостной ток  и ток проводимости  (рис. 9.10).

Плотность тока смещения равна:

.          (9.11)

Плотность тока проводимости определяется следующим образом:

,            (9.11)

где  – удельная, активная проводимость диэлектрика на угловой частоте ω.

Плотность общего тока (J) равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости (рис. 9.9). Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (), ток был бы чисто реактивным и его плотность:

(см. рис. 9.10) была бы направлена по мнимой оси под углом 90° к вектору . Однако у реальных диэлектриков, с , отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол  относительно тока идеального диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше , тем больше угол δ, характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального.

Рис. 9.10. Векторная диаграмма (комплексная плоскость) плотности тока в диэлектрике

Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла

             (9.12)

является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов. Или другими словами, угол диэлектрических потерь (δ) называют углом, дополняющим до 90° угол сдвига фаз (φ) между током и напряжением в емкостной цепи.

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. так называемые удельные диэлектрические потери, равны:

или

,         (9.13)

где Е – действующее значение напряженности переменного поля, В/м. Чем выше tgδ, тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности. Введение безразмерного параметра tgδ удобно, потому что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала.

Если к конденсатору или другому электроизоляционному элементу приложено напряжение с угловой частотой (ω) и действующим значением U, то отношение проходящих тока проводимости

(где R_a – активное сопротивление элемента на частоте ) и тока смещения

(где С – емкость) можно выразить так:

.

Так как , a , где  – геометрический размер, то

.              (9.14)

Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении напряжения U (действующего значения) угловой частотой ω равны:

.           (9.15)

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

.                 (9.16)

Таким образом, tgδ есть величина, обратная добротности.

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. В связи с этим стремятся снизить tgδ диэлектрических материалов, что возможно, если известна природа диэлектрических потерь.

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностями и физической природе можно разделить на пять основных видов:

1) обусловленные сквозной электропроводностью;

2) обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации;

3) обусловленные неоднородностью структуры (миграционные);

4) ионизационные;

5) резонансные.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью проявляются во всех без исключения диэлектриках как в постоянных, так и в переменных электрических полях. Часть диэлектрических потерь, обусловленных сквозным током диэлектрика, называют диэлектрическими потерями на электропроводность.

Потери на электропроводность ничтожно малы у электроизоляционных материалов с высоким удельным сопротивлением (у полиэтилена, политетрафторэтилена и т.п.), а на высоких и сверхвысоких частотах – практически у всех материалов. Однако их необходимо учитывать в изоляции, работающей при повышенных температурах (выше 100° С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих к снижению удельного сопротивления.

Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации могут проявляться в полярных диэлектриках и только в переменных электрических полях.

Активная проводимость диэлектриков () при переменном токе обычно значительно больше, чем проводимость () при постоянном токе. Тангенс угла потерь, даже на высоких частотах, не падает ниже 10^-4. Следовательно, существуют и другие механизмы диэлектрических потерь, кроме потерь, обусловленных током сквозной проводимости. Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика.

Диэлектрические потери на поляризацию будут максимальны, когда период изменения электрического поля сравним со временем установления поляризации (τ).

Если частота поля , поляризация не успевает следовать за изменениями поля, поляризованность и диэлектрическая проницаемость станут ниже низкочастотных. В области частот  наблюдается изменение диэлектрической проницаемости с увеличением частоты, называемое диэлектрической дисперсией.

Диэлектрическая дисперсия может носить релаксационный (ε монотонно снижается с ростом ω) или резонансный (ε с ростом частоты проходит через максимум и минимум) характер.

Значения ε и tgδ полярных диэлектриков сильно зависят от температуры (Т). При высоких температурах снижение ε с ростом Т связано с дезориентирующим влиянием на дипольную поляризацию хаотического теплового движения, в результате чего  при . При низких температурах ε падает до значения , потому что частота релаксации становится ниже частоты измерений. Чем выше частота измерений, тем выше температура падения ε(Т). При температурах падения ε(Т) наблюдаются релаксационные максимумы потерь. Таким образом, релаксационная дисперсия может наблюдаться при изменении не только частоты, но и температуры.

В полярных диэлектриках наблюдаемые потери представляют собой сумму из потерь на электропроводность и релаксационных потерь. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, характерны для композиционных диэлектриков, а также для диэлектриков с различными (в том числе и проводящими) примесями.

Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в проводящих включениях и их накоплением на границах неоднородностей. Процесс миграционной поляризации устанавливается очень медленно и не успевает следовать за изменением величины и направления электрического поля высокой частоты. Поэтому миграционная поляризация уменьшается с ростом частоты, на низких частотах и в области частот ее дисперсии наблюдаются миграционные потери.

Ионизационные потери, или потери на частичные разряды, наблюдаются в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх определенного предела (), называемого порогом ионизации (рис. 9.11). При напряжениях выше  в воздушных включениях или других дефектах внутри диэлектрика появляются частичные разряды, приводящие к рассеянию энергии электрического поля. Диэлектрические потери, обусловленные ионизацией диэлектрика в электрическом поле, и называются ионизационными диэлектрическими потерями.

Рис. 9.11. Ионизационные потери пористых диэлектриков при напряжениях, выше напряжения ионизации (U_ион)

При действии частичных разрядов диэлектрик может постепенно разрушаться. Поэтому рабочее напряжение следует выбирать ниже напряжения ионизации () соответствующего началу роста tgδ.

График зависимости tgδ от напряжения (рис. 9.11) называют кривой ионизации диэлектрика. По кривой ионизации оценивают качество электрической изоляции высокого напряжения: чем меньше приращение tgδ вследствие ионизационных потерь () и чем при более высоких напряжениях  начинается рост tgδ, тем изоляция лучше. Для повышения качества электрической изоляции высокого напряжения ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами, газами под высоким давлением.

Резонансные диэлектрические потери происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 10¹⁴…10¹⁷ Гц). С ними связано поглощение света веществом. Потери сопровождаются частотной зависимостью показателя преломления и максимальны в области так называемой «аномальной» дисперсии, где ε снижается с ростом ω (под «нормальной» дисперсией в оптике имеют в виду увеличение показателя преломления с ростом частоты).

Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах 10¹³…10¹⁴ Гц. Однако в веществах с высокой диэлектрической проницаемостью, а также в стеклах и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса могут быть и ниже (~10¹² Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (10⁹…10¹⁰ Гц).

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженностях электрического поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь в этом случае является в основном сквозная электропроводность. Так как газы обладают весьма малой электропроводностью, то и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, особенно при высоких частотах

При высоких напряженностях электрического поля, а также в неоднородных электрических полях, когда напряженность некоторых областей превышает некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В неполярных жидких диэлектриках диэлектрические потери обусловлены только сквозной электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, и значение tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

В полярных жидкостях, в зависимости от условий эксплуатации, повышения температуры, частоты и т.п. могут проявляться потери, обусловленные дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью. Для таких жидкостей зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят более сложный характер.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые диэлектрики обладают разными свойствами и строением, в них возможно существование всех видов диэлектрических потерь.

В неполярных твердых диэлектриках, не имеющих примесей, диэлектрические потери определяются сквозной электропроводностью, и величина tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

В полярных твердых диэлектриках обладающих дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной и другими медленными видами поляризации, в зависимости от условий эксплуатации (от повышенных температур, частот и т.п.) могут возникать заметные потери, связанные с медленными видами поляризации.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках неоднородной структуры

К таким диэлектрикам относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, не вступивших в химическую реакцию, т.е. механически смешанных друг с другом. К неоднородным диэлектрикам следует отнести: керамику, слоистые пластики, пропитанную бумагу, картон, ткани и др. Диэлектрические потери таких материалов определяются свойствами и количественным соотношением компонентов, поэтому зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят очень сложный характер.

Рис. 9.12. Зависимость tgδ от температуры для конденсаторной бумаги, пропитанной компаундом (80 % канифоль + 20 %

Например, кривая зависимости tgδ от температуры (рис. 9.12) для бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом, имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует диэлектрические потери самой бумаги (целлюлозы); второй (при более высокой тем­пературе) обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.