Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими процессами, поскольку при поляризации перемещаются электрические заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризации, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (Iсм). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осуществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации, называется током абсорбции (Iабс). Кроме этих двух токов, через каждый диэлектрик проходит еще ток проводимости (Iпр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов:
Изменение этого тока в зависимости от времени протекания в диэлектрике (с момента приложения постоянного напряжения) показано на (рис.48).В первый момент приложения напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике остается лишь ток проводимости Это объясняется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекращаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями. Так обстоит дело при постоянном напряжении. Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находится под переменным напряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изобразить в виде векторной диаграммы, показанной на (рис. 49) . Здесь напряжение U отложено в виде горизонтально расположенного вектора, ток смещения Iсм (как опережающий напряжение на полпериода, ) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Поскольку ток абсорбции не является мгновенным, он изображается вектором Iабс, который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода. Ток же проводимости Iпр совпадает по времени (по фазе) с напряжением U. Пользуясь правилом геометрического сложения векторов, сложим три тока, перенося векторы Iабс и Iпр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора Iоб (рис. 48).
Рис. 48. Изменение тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения.
Рис. 49. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящемся под переменным напряжением.
Угол между векторами общего тока Iоб и напряжения U обозначают греческой буквой до , т.е. угол между общим током Iоб и током смещения Iсм, обозначают греческой буквой (дельта) и называют углом диэлектрических потерь. Выясним это, для чего разложим вектор тока абсорбции Iабс на активную Iа.абс и реактивную Iр.абс составляющие. Назовем сумму активной составляющей Iа общего тока Iоб:
Сумма тока смещения Iсм и реактивной составляющей тока абсорбции Iр.абс называют реактивной составляющей Iр общего тока Iоб, т.е.
Из электротехники известно, что активная мощность, расходуемая в конденсаторе, т.е. мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, равна произведению напряжения U на сумму активных токов Ia:
Реактивная мощность равна произведению напряжения U на сумму реактивных токов :
Из векторной диаграммы токов (рис. 51 ) находим, что
Из этого соотношения следует, что величина активного тока в диэлектрике
Реактивный же ток вычисляется по формуле
где круговая частота; f - частота переменного тока, Гц. Подставляя величину реактивного тока Ip= в формулу для подсчета активного тока, получим новое выражение активного тока Ia:
Подставив выражение тока Ia в формулу для подсчета активной мощности, получаем окончательное выражение ее:
Из этой формулы следует, что при заданной величине напряжения, его частоте и емкости потери энергии в изоляции будут зависеть от значения .
Величина называется тангенсом угла диэлектрических потерь, так как она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение тем лучше диэлектрик, так как в нем будут меньше потери энергии. Последние же могут вызвать нагрев диэлектрика и преждевременное разрушение его.
Рис.50. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры: 1-нейтральный диэлектрик, 2-полярный диэлектрик.
Рис.51. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приложенного напряжения: 1-нейтральный диэлектрик, 2- полярный диэлектрик.
Величина как и величина диэлектрической проницаемости ε зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. На (рис. 50) показан общий вид зависимости от температуры для полярного и нейтрального диэлектриков. С увеличением температуры облегчается поворот полярных молекул (диполей) в результате снижения вязкости диэлектрика, т.е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот все увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому падает до наименьшей величины (точка b). Затем вновь происходит увеличение но это уже вызвано увеличением тока проводимости (Iпр) в диэлектрике. Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных диэлектриках с ростом все время возрастает (рис. 49) в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.
Зависимость от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков представлена графиками на (рис. 50) . Здесь с увеличением частоты нарастают потери энергии в диэлектрике в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты fмакс, соответствующей наибольшей величине после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимости в диэлектрике, так как ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводимости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением .