Потери в диэлектриках

Д иэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затраченную на нагрев Д, находящегося в электрическом поле. В инженерной практике для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла. Углом диэлектрических потерь  называют угол дополняющий до 90 градусов угол сдвига фаз  между I и U_в емкостной цепи.

Для цепи

Для идеального диэлектрика  = 0. Чем больше рассеивается мощность, тем больше .

Материалы, используемые в установках с высоким напряжением, и высокочастотной аппаратуре должны иметь малое значение  и . Большие диэлектрические потери приводят к нагреву изделия и могут привести к его разрушению.

Виды диэлектрических потерь:

Потери на электропроводность (обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность объема или поверхности. Не зависят от частоты U. tg=(1.8*10¹⁰*)/).

Релаксационные потери (обнаруживаются в диэлектриках, обладающими замедленными видами поляризации и проявляются в области высоких частот).

Ионизационные потери – свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

Резонансные потери – наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и связаны с сильным поглощением электромагнитного излучения.

Диэлектрические потери в газах очень малы при U ниже Uкр. Связаны они в основном с электропроводностью. Также они незначительны в неполярных жидкостях без примесей (пример, чистое конденсаторное масло).

В полярных жидкостях из-за дипольно-релаксационных потерь, особенно в вязких жидкостях, общие потери значительно выше, чем на электропроводность. Особенно их увеличивает повышение частоты (полярные жидкости нельзя использовать в высокочастотных устройствах).

В твердых диэлектриках потери зависят от структуры материала, а в веществах с молекулярной структурой от вида молекул.

Для материалов с неполярными молекулами  мала (сера, полиэтилен, полистирол). Их можно использовать в высокочастотных устройствах. В случае полярных молекул  может быть очень большим, особенно на радиочастотах, (гетинакс, лавсан, капрон, фенол – формальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, кремнийорганика)

В веществах с ионной решеткой в отсутствии примесей и плотной упаковкой ионов  мало (корунд, хлорид натрия). При неплотной упаковке ионов  велико (некоторые материалы керамик и фарфоров)

В квазиаморфных веществах (стекла)  может быть различно и определяется временем релаксации. На высоких частотах могут быть резонансные потери.

Пробой диэлектриков

Я вление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называется пробоем. Минимальное U, приводящее к пробою называется пробивным напряжением Uпр.

При пробое теряются изоляционные свойства. Предпробойное состояние характеризуется резким ростом тока, отступлением от закона Ома.

За U_пр принимают dI/dU=. Кроме природы материала на U_пр влияет также толщина диэлектрика h, форма электрического поля, конфигурация образца диэлектрика. То есть пробой - это свойства конкретного образца.

Для сравнения свойств различных материалов используют понятие электрической прочности. Это минимальное значение напряженности однородного электрического поля. Eпр=U_пр/h. При уменьшении h, Е_пр может увеличиться из-за трудностей в формировании разряда.

Пробой в твердом диэлектрике может его разрушить.

Пробой газов наступает как следствие развития процесса ударной ионизации (возбуждение атомов за счет столкновений при направленном движении). Основная роль в ионизации принадлежит электронам из-за их высокой подвижности. Возбуждая молекулы электрон может генерировать фотоны. Они в свою очередь вызывают внутреннюю фотонную ионизацию. В результате возникает проводящий канал – стример. Одновременно к катоду может возникать встречный лавинный поток положительно заряженных частиц (газоразрядная плазма). Если длительность воздействия U мала, то Uпр растет (может увеличиться в 1,5 раза)  = Uпр.имп/Uпр. Uпр.имп – коэффициент импульса. Длительность подготовки пробоя на длине равной 1см 10^-7 – 10^-8с. Епр для воздуха 3,2 МВ/м при р = 0,1 Мпа и l = 1см. При увеличении давления Епр будет более 3,2 МВ/м, а при снижении р Епр сначала несколько уменьшится, а затем в вакууме увеличиться до 10² МВ/м (пробой все равно будет иметь место за счет холодной эмиссии – вырывание электронов с поверхности катода). Сложна также зависимость Uпр от f (сначала Uпр падает с ростом f, а затем возрастает). Значение Uпр минимально при f = 5*10⁶ Гц.

Электрическая прочность Епр зависит также от химического состава газа. Епр для инертных газов меньше Епр воздуха. У SF₆ и фреона (CCl₂F₂) Uпр>Uпр воздуха в 2,5 раза

При неоднородном электрическом поле (два острия) – возникает сначала корона, далее искровой разряд и дуга.

Жидкости имеют более высокие Епр (примеси ее понижают). Пробой может быть следствием перегрева жидкости и ее вскипания в местах нахождения примесей. Повышение f понижает Uпр.

У твердых диэлектриков может быть три механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Они могут быть в одном диэлектрике.

а) электрический пробой. Время развития 10^-7 – 10^-8с. Сопровождается разрушением диэлектрика в узком канале. Это чисто электронный процесс. Развитие электронной лавины сопровождается фотоионизацией. В канале температура увеличивается вплоть до Т_пл, растет давление (возникают трещины). Е_пр окислов, хлорида натрия может быть больше 1000 МВ/м. Тонкие пленки имеют более высокую Е_пр, чем массивные образцы. Это свойство называется электрическим упрочением материалов. Оно используется при изоляции элементов микроэлектроники. Так эксплуатационные значения Е в тонких пленках могут достигать 10⁸ В/м. Это значение примерно соответствует пробивным U для объемных образцов.

б) тепловой пробой. Возникает за счет высоких диэлектрических потерь и нарушения теплового равновесия. Сводится к разогреву материала до Тпл и более. Это характеристика не столько материала, а изделия из него (так как влияет Т_окруж, условия охлаждения, нагревостойкость вещества). Типичный признак теплового пробоя понижение U_пр с ростом Токр.ср, а также уменьшение Е_пр от времени. Разновидностью теплового пробоя является ионизационный пробой характерный для пористых диэлектриков.

в) электрохимический пробой. Имеет значение при повышенной Т и высокой влажности воздуха, наблюдается при необратимом падении сопротивления (электрохимическое старение). Может иметь место при высоких f из-за электрохимических процессов в порах (восстановление окислов и т.п.). Для его развития требуется длительное время. В материалах содержащих металлы переменной валентности Ti (TiO₂ в керамике), встречаются чаще, чем в керамике из окислов Al, Si, Mg, Ba. Характерен для органических материалов.

Поверхностный пробой – пробой газа или жидкости вблизи поверхности твердого тела. Электрическая прочность твердого тела диэлектрика не нарушается, однако образование проводящего канала на поверхности снижает рабочее U изолятора. Зависит от температуры, влажности, давления среды, f. Может быть меньше U_пр для газа в тех же условиях. Для предотвращения поверхностного пробоя увеличивают длину пробивного пути за счет создания ребристой поверхности изоляторов (канавки, утопленные электроды), нанесение защитных изолированных пленок, замена воздуха жидким диэлектриком (трансформаторное масло).