5.3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, рассеиваемую в диэлектрике, находящегося в электрическом поле. Эта электрическая мощность идет на нагрев материала. Потери энергии при постоянном напряжении обусловлены протеканием сквозного тока, величина которого зависит от значения объемного и поверхностного удельных сопротивлений. В переменном поле на величину потерь, кроме сквозного тока, влияет активная составляющая абсорбционного тока, вызванного различными поляризационными процессами.

Для характеристики способности диэлектрического материала рассеивать электрическую мощность служит тангенс угла диэлектрических потерь tgδ. Определение tgδ следует из векторной диаграммы между током и напряжением на примере параллельной эквивалентной схемы включения идеального конденсатора С_р с активным сопротивлением потерь R (рис. 5.6).

Рис.5.6. Параллельная эквивалентная схема диэлектрика с потерями и векторная диаграмма между током и напряжением

Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз φ между током J и напряжением U в емкостной цепи, а tgδ = Р_а/Р_р. Независимо от эквивалентной схемы включения (параллельной или последовательной) активная рассеиваемая мощность в диэлектрике определяется из выражения

Р_а = U^{2 .}ωС_р tgδ, (5.11)

где ω – угловая частота; С_р емкость диэлектрика U – напряжение.

Практическое значение tgδ, как параметра диэлектрика в том, что он определяет потери мощности в диэлектрике.

На переменном токе на величину диэлектрических потерь будет влиять и значение диэлектрической проницаемости. Это видно из выражения для удельных диэлектрических потерь ρ = Р_а/V, где V – объем диэлектрика между электродами конденсатора. Подставив в выражение 5.11 значение емкости конденсатора С из (5.2), получим

Вт/м³, (5.12)

где Е = U/h – напряженность электрического поля, В/м; S – площадь диэлектрика, м²; h – толщина диэлектрика, м.

Произведение ε^.tgδ называют коэффициентом диэлектрических потерь. Из выражения (5.12) видно, что на определенной частоте удельные диэлектрические потери пропорциональны коэффициенту диэлектрических потерь.

В диэлектрических материалах в зависимости от структуры могут проявляться четыре основных вида диэлектрических потерь:

- потери на электропроводность;

- релаксационные потери;

- резонансные потери;

- ионизационные потери.

Потери на электропроводность обусловлены прохождением сквозного тока в диэлектриках с заметной поверхностной или объемной электропроводностью. Эти потери ничтожно малы в материалах с высоким удельным сопротивлением, но в диэлектриках с небольшим удельным сопротивлением или в полярных или материалах, эксплуатируемых например во влажной среде, их следует учитывать.

С ростом частоты тангенс угла диэлектрических потерь tgδ уменьшается по гиперболическому закону и увеличивается по экспоненциальному закону с возрастанием температуры Т (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Частотная (а) и температурная (б) зависимости tgδ при потерях на электропроводность

Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации и проявляются на достаточно высоких частотах, когда сказывается явление гистерезиса, т.е. отставание поляризаций от изменения электрического поля. Диэлектрические потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов.

Релаксационные потери наблюдаются в диапазоне частот 10⁵ – 10¹⁰ Гц. На достаточно низких частотах, когда время релаксации τ « 1/ω (ω – угловая частота внешнего электрического поля), релаксационные потери будут малы, а при возрастании частоты они будут увеличиваться. На частоте, когда выполняется условие τ = 1/ω, наблюдается резонанс, и потери будут резко возрастать. При дальнейшем увеличении частоты внешнего электрического поля, когда τ > 1/ω, будет сказываться инерционность релаксационных видов поляризации и tgδ_р, характеризующий диэлектрические потери, будет уменьшаться. На частотной зависимости tgδ_р наблюдается максимум (рис. 5.8а), положение которого определяется из условия ω τ = 1; на рис. 5.8б приведено изменение tgδ с учетом потерь на электропроводность.

Рис. 5.8. Частотная зависимость tgδ при релаксационных потерях (а) и с учетом потерь на электропроводность (б)

На высоких частотах, несмотря на уменьшение tgδ_р с ростом частоты, активная мощность Р_а, выделяемая в диэлектрике, остается практически постоянной, так как число циклов поляризации возрастает, что находится в согласии с формулой (5.11). С повышением температуры максимум tgδ_р будет смещаться в область высоких частот. Это обусловлено тем, что время релаксации τ становится меньше времени периода изменения напряжения электрического поля.

Резонансные потери в диэлектрических материалах обусловлены процессами ионной и электронной поляризаций при совпадении частоты внешнего электрического поля с собственной частотой колебаний ионов или электронов. При ионной поляризации наблюдается максимум tgδ на частотах 10¹³-10¹⁴ Гц, т.е. в инфракрасном диапазоне частот. Резонансные потери при электронной поляризации имеют максимум tgδ в оптическом диапазоне частот 10¹⁴ - 10¹⁶Гц: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра. При совпадении частоты внешнего электрического поля с собственной частотой колебаний электронов наблюдаются узкие максимумы потерь, которые показывают оптическими спектрами поглощения света.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии и проявляются также в твердых диэлектриках, содержащих газовые включения: бумага, пористая керамика. Эти потери проявляются на радиочастотах при напряжении внешнего электрического поля выше порога ионизации. В этом случае происходит ионизация газовых включений, приводящих к резкому возрастанию диэлектрических потерь, разогреву материала и постепенному его разрушению. Порог ионизации зависит от конкретного материала и определяется по началу роста tgδ.