4. Классификация диэлектриков по видам поляризации
Особенности поляризации позволяют разделить все диэлектрики на четыре группы.
1. Неполярные диэлектрики, которые имеют только электронную поляризацию. В эту группу входят нейтральные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и амфотерном состояниях (парафин, фторопласт-4, полистирол, полиэтилен и др.), неполярные жидкости (трансформаторное масло, конденсаторное масло) и газы (воздух, азот, водород).
2. Полярные диэлектрики, которые обладают электронной и дипольно-релаксационной видами поляризации. В эту группу входят полярные жидкие диэлектрики (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы), органические полярные диэлектрики (бумага, текстолиты, гетинаксы, ткани, поліетилентерефталата и др.).
3. Диэлектрики с плотной упаковкой ионов это твердые диэлектрики, которые обладают электронной и ионной поляризациями. К ним принадлежат кварц, корунд, рутил, слюда.
4.Диэлектрики с неплотной упаковкой ионов – диэлектрики, которые обладают электронной, ионной, электронно-релаксационной и ионно-релаксационной поляризацией. Это - фарфор, стекла, миканиты, микалексы, керамика и др.
5. Сегнетоэлектрики – диэлектрики, которые обладают электронной, ионной, электронно-релаксационной, ионно-релаксационной и спонтанной поляризациями: сегнетовая соль, метатитанат бария, сегнетокерамика и др.
5. Диэлектрические потери
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, которая тратится на нагрев диэлектрика, который находится в электрическом поле.
В постоянном поле, когда нет периодической поляризации, диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости. В переменном электрическом поле кроме тока сквозной проводимости существует и ток смещения, который повышает диэлектрические потери. Для характеристики потерь используют понятие угла диэлектрических потерь.
Углом диэлектрических потерь δ называют угол, который дополняет до 900 угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.
6. Расчет мощности потерь и тангенса угла диэлектрических потерь в диэлектрике
Рассмотрим схему замещения реального диэлектрика. Она должна быть выбранной с таким расчетом, чтобы активная мощность, которая выделяется в схеме, была равна мощности, которая рассеивается в диэлектрике конденсатора, а ток был смещено относительно напряжения на тот же угол, который и в конденсаторе, который исследуем. Поставленную задачу можно решить путем замены конденсатора с потерями идеальным конденсатором с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или идеальным конденсатором, который шунтирован активным сопротивлением (параллельная схема), (рис.1.6). По теории переменных токов активная мощность
PA = U·I· cosφ (1.4)
Если выразить мощность для последовательной и параллельной схем через емкости СS, СP и угол δ, для последовательной схемы, используя векторную диаграмму, запишем
tgδ = UA/UC = ω·CS·RS (1.5)
Используя (1.4) и подставляя вместо I и cosφ соответственно значения из векторной диаграммы, получим:
Рис. 1.6. Параллельная и последовательная схемы замещения диэлектрика с потерями и их векторные диаграммы
PA = I2·Rs = U2·Rs/Z2 = U2·Rs/[1/(ω·Cs)2 + Rs2] = U2·Rs·(ω·Cs)2/{[1/(ω·Cs)2 +
+Rs2] · (ω·Cs)2} = U2·ω·Cs·[tgδ/(1 + tg2δ)] (1.6)
Для параллельной схемы, используя (1.4) и векторную диаграмму, запишем
tgδ = IA/IC = 1/ (ω·Cp·Rp) (1.7)
Активная мощность
PA = U2/Rp = U2·ω·Cp/(ω·Cp·Rp) = U2 ·ω·Cp· tgδ (1.8)
Сравним (1.5) - (1.8) и найдем соотношение между Ср и Сs , Rр и Rs
Cp = Cs/(1 + tg2δ) (1.9)
Rp = Rs· (1 + tg2δ) (1.10)
Для анализа результата рассмотрим два случая.
1. tgδ << I, тогда из (1.9) получим, что CP = CS , а из (1.10): RP=RS (tg2δ )-1.
Равенство емкостей свидетельствует о том, что для качественных диэлектриков tgδ должен быть намного меньше единицы.
2. tgδ >> I, тогда RP = RS, CP = CS (tg2δ)-1. Факт, что CP CS, показывает: значение емкости, а, следовательно, и диэлектрической проницаемости зависит от выбора схемы замещения, что для диэлектриков несправедливо.
Действительно, из векторных диаграмм выходит, что
tgδ = ІА / Ic – для параллельной схемы замещения.
tgδ = UA / Uc – для последовательной схемы замещения.
Но в первом случае общим для емкости и резистора является напряжение, а во втором – ток. Умножая числитель и знаменатель соответственно на ток и напряжение, имеем tgδ = PA/Pc. В этом состоит физический смысл тангенса угла диэлектрических потерь.
Т.К. активная мощность тратится на нагрев диэлектрика, а реактивная – на поляризацию, то РА << Pc, т.е. для качественного диэлектрика tgδ << 1.