Диэлектрические потери – это потери энергии в диэлектрике, находящемся в электрическом поле. Энергия электрического поля расходуется на нагрев диэлектрика. Нагрев происходит в результате взаимодействия поляризующихся частиц и воздействия на частицы диэлектрика свободных носителей зарядов, двигающихся в диэлектрике под воздействием электрического поля.
Наибольшие потери бывают при переменном электрическом поле, которое с соответствующей частотой меняет направление поляризации, создавая тем самым импульсы теплового взаимодействия на каждом полупериоде своего изменения. Энергия переменного электрического поля расходуется на:
- поляризацию диэлектрика,
- электропроводность диэлектрика,
и за счет указанных явлений нагревает диэлектрик. В переменном поле основные тепловые потери диэлектрика с малой электропроводностью происходят за счёт поляризации. При постоянном электрическом поле основной нагрев диэлектрика связан лишь с его электропроводностью.
Для расчета диэлектрических потерь в переменном электрическом поле и других процессов в устройствах с диэлектриками последние замещаются схемами, наиболее известными из которых являются:
- последовательная схема замещения диэлектрика:
- параллельная схема замещения диэлектрика:
Схемы замещения диэлектрика обязательно содержат емкость и активное сопротивление. Емкость отражает способность диэлектрика накапливать заряды в постоянном поле, а в переменном поле создает путь для тока смещения в диэлектрике. Активное сопротивление - это элемент схемы, выделение энергии в котором отражает диэлектрические потери.
Углом диэлектрических потерь, δ (дельта) называют угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике. Зная значение активного сопротивления R и ёмкости С в схеме замещения, можно построить векторные диаграммы токов и напряжений для диэлектрика, из которых определится угол диэлектрических потерь:
Потери активной мощности в устройстве с переменным током определяются как:
.
Переписывая это выражение с использованием параметров схем замещения, получим:
Для последовательной схемы замещения:
.
Для параллельной схемы замещения:
.
При переходе к удельным параметрам (единице объема) получим:
Руд = Е2∙ω∙ε0∙ε∙tgδ.
Таким образом, диэлектрические потери в материале прямо пропорциональны:
- квадрату напряженности приложенного электрического поля, Е2,
- частоте переменного электрического поля, ω
- диэлектрической проницаемости материала, ε,
- тангенсу угла диэлектрических потерь в материале, tgδ.
Качество диэлектрика тем выше, чем меньше значение тангенса угла диэлектрических потерь. Для диэлектриков, предназначенных для работы в высокочастотном электрическом поле, тангенс угла диэлектрических потерь должен иметь порядок 10-3…10-5. Примеры:
- электротехническое стекло tgδ = 0,0005…0,025;
- трансформаторное масло tgδ = 0,01…0,25;
- полиэтилен tgδ = 0,00007…0,0002.