Диэлектрические потери

Диэлектрические потери это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропроводностью и поляризацией. Так, под действием электрического поля свободные носители заряда разгоняются, приобретают кинетическую энергию и, сталкиваясь с молекулами вещества, передают им эту энергию. Таким образом, энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию.

Рассмотрим конденсатор с диэлектриком, который включён в электрическую цепь рис.11. Мощность электрических потерь в нем определяется формулой:

W=U× I× cos α , (1.8)

где U – напряжение и I –ток на участке цепи, – a сдвиг фаз между ними.

В конденсаторе с идеальным диэлектриком сдвиг фаз между напряжением и током в точности равен 90 градусам (угол α), вследствие чего мощность потерь в соответствии с формулой (*) равна нулю. В случае реального диэлектрика ток отклоняется от перпендикулярного направления на некоторый угол d . Векторная диаграмма тока и напряжения в этом случае приведена на рис. 12.

Вектор тока можно разложить на две составляющие:

I_a – активную, параллельную вектору напряжения, и

I_p – реактивную, перпендику­лярную вектору напряжения.

Тогда по диаграмме

I× cos α= I_a=I× sind = I_р× tgd ,

Или подставляя в (*) получим

W=U× I_р× tgd , (1.9)

Т.е. величина мощности потерь пропорциональна множителю × tgd .

Поэтому для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь, который характеризует свойства материала.

 

Величина напряжения (U), частоты тока (w) и емкость конденсатора (С) определяют реактивную составляющую тока:

I_p=U´wґC, (1.10)

В свою очередь, емкость конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости e материала см.(*)

С=e × С_о

где С_о – емкость конденсатора без диэлектрика

Откуда

W=U× w× C_о× e tgd , (1.11)

 

В приведенной формуле величины напряжения, круговая частота и С_о не зависят от свойств среды, а диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Их произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь k_d.

k_d = e × tgd, (1.12)

от него зависит мощность электрических потерь, подставляя в (1.11) получим

W=U× w× C_о× k_d, (1.13)

Величины тангенс угла потерь tgd и коэффициент диэлектрических потерь k_d характеризуют свойства материала. Чем они больше – тем больше электрические потери и тем больше нагрев диэлектрика.

В соответствии с формулой (*) мощность потерь энергии пропорциональна частоте переменного электрического поля. Поэтому по величине тангенса угла и коэффициента потерь различают низкочастот­ные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ) диэлектрики (рис.13.).

НЧ диэлектрики используются при низких частотах f < 20 кГц,

ВЧ диэлектрики – при высоких частотах электрического поля f > 20 кГц.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgd зависит от химического состава материала, его строения, полярности. Величина полярности для некоторых атомных групп возрастает в ряду слева направо:

CH < CN < CO < CF < CCl

Наименьшие величины тангенса угла потерь tgd и коэффициента диэлектрических потерь k_d. имеют химически чистые неполярные диэлектрики с ковалентной и поляризационной связью.