10.4. Диэлектрические потери

В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями P называют активную составляющую электрической мощности, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Они состоят из: потерь от токов проводимости P_эл; поляризационных и ионизационных потерь P_пол и P_ионз соответственно.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном, так и при переменном напряжении.

При постоянном напряжении, когда отсутствует периодическая поляризация (влияние поляризации проявляется только в моменты включения и выключения, т.е. кратковренно, и потерями от поляризации можно пренебречь), сквозные токи утечки I_ут определяются значением сопротивления изоляции R_из, зависящим от ρ_s и ρ_v. Поэтому диэлектрические потери (активная мощность) в цепи постоянного тока могут быть определены из выражения P = U²/R_из, где U – значение постоянного напряжения, приложенного к диэлектрику. Таким образом, качество диэлектрика на постоянном токе можно оценить ρ_s и ρ_v или сопротивлением изоляции R_из, которые и определяют диэлектрические потери.

При переменном напряжении к потерям от токов сквозной проводимости добавляются потери от поляризации, которые и составляют значительную долю общих потерь в диэлектрике, и являются собственно диэлектрическими. Для определения мощности потерь в переменных полях диэлектрик представляют в виде последовательной или параллельной электрической схемы, состоящей из идеального конденсатора и активного сопротивления. Активная мощность, выделяемая на активном сопротивлении схемы, определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность (диэлектрические потери) и равна

P_пол=U² *ω*С*tg , (3),

где ω=2f – круговая частота, рад/с; f – частота приложенного напряжения, Гц; tg - тангенс угла диэлектрических потерь.

При релаксационных механизмах поляризации при изменении напряженности электрического поля по гармоническому закону E=E_osinωt, вектор поляризуемости P отстает от вектора напряженности поля Е, и определяется выражением P=E*sin(ωt-). Угол  и является углом диэлектрических потерь. На векторной диаграмме токов, протекающих через диэлектрик, этот угол дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90^о (рисунок 41).

При частотах свыше 20…30 кГц диэлектрические потери уже оказывают влияние на тепловой режим различных устройств. Поэтому tg, характеризующий диэлектрические потери, является важным параметром диэлектрика.

Значение емкости С в выражении (3) для конденсатора с диэлектриком можно определить из выражения С=ε*С_о, где С_о – емкость конденсатора, определяемая его геометрическими размерами. С учетом этого, выражения (3) примет вид P_п = U² *ω*С_о*ε*tg. Произведение ε*tg называют коэффициентом диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, отнесенные к объему диэлектрика, называют удельными диэлектрическими потерями, и измеряют в (Вт/кг).

В зависимости от значения tg диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg = 0,001…0,1) и высокочастотные (tgδ<0.001). Так как диэлектрические потери, характеризуемые ε_r и tg, зависят от частоты, в справочниках указывают, при какой частоте они определены.

В пористых диэлектриках возможна ионизация газовых включений и неоднородность структуры из-за примесей и включений, что приводит к дополнительным ионизационным потерям P_ионз в диэлектрике.

Таким образом, основными источниками потерь в диэлектрике на переменном токе являются поляризация и структурная неоднородность, совокупное действие которых и обуславливает диэлектрические потери в диэлектриках.

Потери в диэлектриках зависят не только от рода тока, протекающего через них, но и от температуры, химической природы и структуры диэлектрика. Параметры ε_r, tg, влияющие на потери, зависят от названных факторов, поэтому для конкретного диэлектрика эти зависимости можно найти в специальной литературе. Ограничимся рассмотрением общих тенденций влияния температуры и частоты на потери в диэлектрике.

На постоянном токе с увеличением температуры растет подвижность носителей, электропроводность и увеличивается ток сквозной проводимости I_ск Поэтому возрастают и потери в диэлектрике.

На переменном токе зависимость tg, следовательно, и потери, от влияния температуры различны для полярных и неполярных диэлектриков.

В неполярных диэлектриках имеют место потери от электропроводности, и зависимость tg от температуры экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рисунок 42,а).

Такой же характер имеет и температурная зависимость диэлектрических потерь, так как ε неполярных диэлектриков практически не зависит от температуры (рисунок 37).

В полярных диэлектриках к потерям от электропроводности (рисунок 42, б, кривая 1), которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2), которые увеличивают общее значения tg. Суммарная зависимость tg от температуры для полярных диэлектриков характеризуется кривой 3. Обычно диэлектрические потери возрастают с увеличением температуры, несмотря на то, что в некотором интервале температур tg может уменьшаться. Это связано с тем, что в областях, где tg уменьшается, резко увеличивается ε_r полярного диэлектрика (возникают резонансные явления). Кроме того, часто потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию.

Влияние частоты на tg и диэлектрические потери также различно для полярных и неполярных диэлектриков. В неполярных диэлектриках существует только потери электропроводности от токов I_ут, которые не зависят от частоты электрического поля. Поэтому произведение ω*tg в выражении (3) имеет постоянное значение. Следовательно, tg с ростом частоты уменьшается по гиперболической зависимости при Р=f(I_ут ) (рисунок 43,а).

В полярных диэлектриках (рисунок 42,б) к потерям от электропроводности (кривая 1) добавляются потери от поляризации (кривая 2). Изменение tg от частоты в целом характеризуется суммарной кривой 3.

Зависимость диэлектрических потерь от частоты для полярных диэлектриков имеет вид, показанный на рисунке 44.

При низких частотах потери создаются только электропроводностью, поэтому они не завися от частоты. При возрастании частоты они резко увеличиваются, так как резко увеличивается tg, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение ε_r в этой области частот. Начиная от частоты, при которой tg имеет максимум, потери вновь становятся почти постоянными, так как уменьшение tg компенсируется увеличением частоты.

Диэлектрические потери возрастают также с увеличением влажности диэлектрика.