Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери могут быть вызваны следующими основными причинами: сквозной электропроводностью, релаксационной поляризацией, ударной ионизацией, а также явлениями резонанса.

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектри­ках, имеющих заметную объемную электропроводность или по­верхностную электропроводность. Если при этом потери от других механизмов несу­щественны, то частотные зависимости Р_а и tgd, могут быть получены при использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реального диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не за­висят от частоты приложенного напряжения; tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону

 

P = Ae^-b/T, (2.67)

 

где А, b—постоянные материала;

В зависимости от температуры tgd изменяется по тому же за­кону, так как можно считать, что реактивная мощность от температуры практически не зависит.

в)

б)

а)

Потери, обусловленные релаксационными видами поляризации, имеют место в диэлектриках с дипольной структурой и в диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов. Тангенс угла диэлектрических потерь полярных диэлектриков с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов зависит от температуры и частоты (рис.2.22). Наличие температурного максимума tgd в полярном диэлектрике можно объяснить на примере дипольно-релаксационной поляризации. При невысоких температурах межмолекулярные связи достаточно велики, молекулы не успевают следовать за изменением поля. Дипольно-релаксационная поляризация практически отсутствует, tgd мал. С ростом температуры растет количество полярных молекул, участвующих в поляризации, расходуется дополнительная энергия на их поляризацию, поэтому tgd возрастает. Достигнув максимального значения, tgd начинает уменьшаться, так как дальнейшее повышение температуры настолько усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул, что затрудняет их поворот в электрическом поле.

Достигнув наименьшего значения, tgd вновь возрастает, что связано с увеличением сквозного тока.

На рис 2.22 б) показан график зависимостиtgd от частоты для полярного диэлектрика. Частотный максимум tgd может быть объяснен следующим образом. При возрастании частоты число поворотов диполей за единицу времени увеличивается, следовательно, увеличивается и рассеиваемая мощность и tgd . При достаточно высокой частоте tgd начинает уменьшаться, так как полярные молекулы не успевают следовать за изменением электрического поля. Положение частотного максимума определяется из условия

f_кр = 1/2pt₀ = (2.68)

где t₀ – время релаксации, с; f_кр – критическая частота, Гц; k – постоянная Больцмана; Т – температура, К; h - динамическая вязкость вещества, Па×с; r – радиус молекулы вещества, условно принимаемой за шарообразную, м.

C повышением частоты максимум tgd смещается в область более высоких температур, так как, с повышением температуры межмолекулярные связи ослабляются и время релаксации снижается.

Потери, вызванные ударной ионизацией свойственны пористым и слоистым диэлектрикам с газовыми включениями а также газам при резко неоднородных полях и при напряженностях поля, превышающих начальную точку ионизации газа. На рис.2.23 показано влияние газовых включений на характер изменения tgd с ростом напряжения. При повышении напряжения сверх определенного значения U_ион , называемого порогом ионизации, в газовых включениях и других дефектах внутри диэлектрика возникает процесс ударной ионизации, который приводит к рассеиванию энергии электрического поля. При напряжении U_к соответствующем окончанию процесса ионизации, газ уже ионизирован, поэтому энергия поля больше не расходуется на ионизацию, вследствие чего tgd уменьшается.

Ионизация газовых включений особенно опасна для неорганических диэлектриков с закрытыми порами, так как может вызвать местный нагрев изделий и их разрушение. Для повышения качества такой электрической изоляции ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами.

Резонансные потери наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgd характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум tgd не смещается.