Релаксационные потери
Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных, например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др.
Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.
В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.
Зависимость tgδ от частоты
Зависимость tgδ от частоты для релаксационных
поляризаций имеет наибольшую физическую
ясность для вязких полярных жидкостей,
в которых дипольные молекулы могут
сравнительно свободно вращаться друг
относительно друга, преодолевая силы
вязкого трения. Если пренебречь потерями
сквозной проводимости, то для чисто
дипольного механизма потерь при частоте
д
(рис) будет наблюдаться максимум (кривая
1). Условие максимума
ωд∙τ=1,
где τ - время релаксации. Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ << 1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации 1/2f << τ, и tgδ уменьшается. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ =1/R∙ω∙C , уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.
Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры
Если пренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδ от частоты в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано на рисунке.
Зависимость tgδ от напряжения
Зависимость tgδ от напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации (см. рисунок)
Процесс ионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего кривая tgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока, обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток, пропорциональный напряжению, растет.
В процессе ионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3, ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект "мерцания" см. рисунок) .
Зависимость tgδ от влажности
Зависимость tgδ от влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материалов волокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых керамических материалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у таких материалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости, что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.