1.2 Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери в

диэлектриках и их температурно-частотная зависимость для

различных групп материалов ( газообразных, жидких твердых;

органических и неорганических).

Диэлектрическая проницаемость диэлектриков является одним из основных параметров при разработке электрических конденсаторов. Использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью позволяют существенно снизить физические размеры конденсаторов.

Ёмкость конденсаторов определяется:

где ε_r — диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, S — площадь обкладок конденсатора, d — расстояние между обкладками.

Диэлектрические потери, часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике, т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем, кроме сквозной электропроводности, могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции. Чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь σ называют угол, равный разности фаз между векторами поляризации Р и напряженностью Е электрического поля, т.е. этот угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90^о; при этом угол σ равен нулю.

Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ  и тем больше угол диэлектрических потерь tg σ

Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте. Материалы, предназначенные для применения в этих условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости. Большие диэлектрические потери в электроизоляционных материалах вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Виды диэлектрических потерь

1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств.

Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные оксиды, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления.

3) Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества.

Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от состояния вещества: газообразного, жидкого, твердого.

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газов, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах.

Удельное объемное сопротивление газов порядка  ,   (при отсутствии ионизации) менее  .

При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.

Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле:

Где   – постоянный коэффициент;   – частота;   – приложенное напряжение;   – напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при   и линейной зависимости  . Значение ионизирующего напряжения   зависит от давления газа, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов. С увеличением давления газа выше атмосферного значение напряжения начала ионизации возрастает.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газовые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно интенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 1.2. показано влияние газовых включений на характер изменения   с увеличением напряжения. При возрастании напряжения свыше  ,   растет. При  , когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и   уменьшается.

Рис. 1.2. Изменение   в зависимости от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями

Кривую   часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что это явление может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.

Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изоляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других – цепную реакцию окисления, инициированную бомбардировкой материала заряженными частицами.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Если неполярная жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, то потери в них обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость нейтральных частых жидкостей очень мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло,   которого очень мал.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температуры, частоты) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь на электропроводность. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре составляет  .

Дипольно-релаксационные потери, наблюдаемые в вязких жидкостях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, значительно превосходят потери на электропроводность.

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны и могут быть меньше потерь на электропроводность. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже в маловязкой жидкости велики и превосходят потери на электропроводность. Ввиду этого полярные жидкости не могут быть использованы при высокой частоте.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой в зависимости от вида молекул

Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, церезин, неполярные полимеры – полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков.

Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике: полярные полимеры – эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах (рис. 1.3. а,6).

Рис. 1.3. Частотная и температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для неорганического стекла: 1 – потери на электропроводность; 2 – релаксационные потери; 3 – суммарные потери

Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа.

Сглаженные максимумы релаксационных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.

При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собственных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.