Розподіл діелектриків по видах діелектричних втрат
Діелектричні втрати за їх особливостями і фізичною природою розподіляють на чотири групи:
1. Втрати за рахунок наскрізної провідності.
2. Втрати, обумовлені релаксаційною поляризацією.
3. Іонізаційні втрати.
4. Резонансні втрати.
1. Втрати за рахунок наскрізної провідності спостерігаються у діелектриках, що мають значну об'ємну чи поверхневу електричну провідність. Вони обумовлені нагрівом діелектриків за рахунок струмів наскрізної електричної провідності.
Потужність питомих втрат у діелектрику
(1.11)
де Pa – повна потужність втрат; V = Sּd –об'єм діелектрика.
Підставивши замість Pa його значення з (1.8), одержимо
(1.12)
З огляду на, що ємність плоского конденсатора визначається (1.1), запишемо
(1.13)
Вираження (1.13) - закон Джоуля - Ленца в диференціальній формі, воно показує зв'язок потужності питомих втрат й електричної провідності діелектриків:
σA = ω · ε · ε0 · tgδ (1.14)
Рисунок 1.7 – Залежність потужності та кута діелектричних втрат
наскрізної електропровідності від частоти та температури
Потужність діелектричних втрат у цьому разі не залежить від частоти прикладеного поля, тангенс кута діелектричних втрат зменшується згідно гіперболічному закону (рис. 1.7). Оскільки підвищення температури сприяє збільшенню струмів наскрізної провідності, активна потужність зростає із підвищенням температури
PA = PA0 · exp[α · (T – T0)], (1.15)
де РАО – втрати в діелектрику при температурі Т0;
α – температурний коефіцієнт втрат;
РА – втрати в діелектрику при температурі Т.
В залежності від температури tgδ змінюється аналогічно, оскільки реактивна потужність від температури не залежить.
2. Втрати на релаксаційну поляризацію обумовлені активними складовими струмів зміщення та характеризуються наявністю взаємопов'язаних максимумів на частотній та температурній залежностях тангенса кута діелектричних втрат, (рис. 1.8).
Розглянемо їх на прикладі рідин з дипольно-релаксаційною поляризацією, де фізичний малюнок ясний. Дипольні молекули, прямуючи за зміщенням електричного поля, повертаються у в'язкому середовищі та викликають втрати енергії на тертя. Якщо температура низька, в'язкість матеріалу велика і диполі не встигають слідувати за зміщенням поля, тому tgδ малий. Якщо температура висока, орієнтація молекул відбувається практично без тертя і tgδ також зменшується. 3 підвищенням частоти прикладеного поля максимум tgδ зміщується в напрямку більш високих температур. Потужність діелектричних втрат зростає з підвищенням частоти доки дипольні молекули не встигають повністю зорієнтуватися у напрямку поля; і tgδ зменшується. Потужність діелектричних втрат залишається постійною, (рис. 1.8).
3. Іонізаційні діелектричні втрати властиві газоподібним діелектрикам і діелектрикам із газовими включеннями. Вони проявляються в неоднорідних електричних полях при напруженості поля, що перевищує значення напруги, яке відповідає початку іонізації газу. Іонізаційні втрати різко зростають при перевищенні деякого критичного значення напруги, і їх потужність приблизно можна обчислити так
PA = A · ω · (U – Ui)3, (1.16)
де А – деякий коефіцієнт; ω – частота поля; U – прикладена напруга; Ui – напруга іонізації.
 |
Рисунок 1.8 – Залежність діелектричних втрат внаслідок дипольно-
релаксаційної поляризації від частоти та температури
Виникнення іонізації газу, який заповнює пори твердого діелектрика, може привести до руйнування останнього. Іонізація повітря приводить до виникнення озону, оксидів азоту, що сприяє хімічному руйнуванню органічних діелектриків.
4. Резонансні втрати мають місце у деяких газах та твердих речовинах при деякій суворо обумовленій частоті та визначаються у сильному поглинанні енергії електромагнітного поля, коли частота вимушених коливань електричного поля дорівнює частоті власних коливань атомів чи молекул твердого тіла. Цей вид втрат також має максимум на частотній залежності tgδ, але його положення не залежить від температури.
Контрольні питання
Що таке поляризація?