Диэлектрические потери в диэлектриках: природа, характеристики

Диэлектрические потери, методика расчета

При постоянном напряжении потери энергии могут быть определены только силой сквозного тока, который обусловлен поверхностной и объемной проводимостями. В случае переменного напряжения к ним добавляются потери, которые обусловлены различными видами поляризации и наличием полупроводниковых примесей, включений газа, окислов железа, углерода и т. п. Если рассматривать простой диэлектрик, то формула рассеиваемой мощности под воздействием переменного напряжения может быть записана следующим образом:

$Р=U*Ia$

где: U - напряжение, которое приложено к диэлектрику; Ia - активная составляющая тока, которая протекает через диэлектрик.

Схема замещения диэлектрика может быть представлена в виде последовательно соединенных активного сопротивления и конденсатора. Пример векторной диаграммы для данной схемы представлена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Векторная диаграмма. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Из выше представленной схемы получаем:

$Ia = Ic*tgj$

где j - угол между вектором тока и его емкостной составляющей.

Отсюда получаем:

$Ра = U*Ic*tgj$

Но при этом:

$Ic = U*w*C$

где: С - емкость конденсатора; w - угловая скорость.

Таким образом рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле:

$Ра = U^2 *w*C*tgj$

Получается, потери энергии, которая рассеивается в диэлектрике пропорциональны тангенсу j - угол диэлектрических потерь, который характеризует качество диэлектрика. Чем меньше данный угол, тем выше диэлектрические свойства материала изоляции.

Диэлектрические потери в газах и жидких диэлектриках

В газах диэлектрические потери малы, из-за небольшой электрической проводимости. Здесь ориентация дипольных молекул газа в случае их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. На рисунке ниже изображен пример кривой ионизации.

!Кривая ионизации. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ](https://a24.biz/assets/files/handbook/images/16/77/1677fc3417c45e5f9cf96703b75581db)

При возрастании tgj сопровождающееся увеличением напряжения можно сделать вывод о наличии газовых включений в твердой изоляции. При существенных ионизации и потерях в газе может случиться перегрев и разрушение изоляции. Ионизация включений воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, которые разрушают органическую изоляцию.

Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В неполярных жидкостях без примесей низкая электропроводность, поэтому диэлектрические потери малы. На практике наиболее распространены полярные жидкости (совол, касторовое масло) или смеси дипольных и нейтральных жидкостей. В полярных жидкостях диэлектрические потери зависят от вязкости. При маленькой вязкости молекулы ориентируются под действием электрического поля без трения, дипольные потери в данном случае незначительны. При увеличении частоты максимум потерь смещается в область более высоких температур. В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, дипольные потери незначительны, а при радиочастотах наоборот. По этой причине дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

В твердых диэлектриках потери зависят от структуры и характера поляризации. В твердых нейтральных диэлектриках, которые обладают только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. К таким веществам относятся:

• парафин,
• сера,
• полистирол.

В нейтральных твердых диэлектриках потери могут быть обусловлены только наличием примесей, что способствует их распространению в качестве высокочастотных диэлектриков.

Неорганические материалы с ионной и электронной поляризацией, например, кварц и чистая слюда, имеют малые диэлектрические потери, которые обусловлены сквозной электропроводностью. В стеклах различного состава потери также обусловлены электропроводностью. Причиной потерь в таких веществах является передвижение слабо связанных ионов, которые проявляются при температуре от 50 до 100 градусов по Цельсию. Данные потери значительно возрастают с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависят от частоты.

В неорганических поликристаллических диэлектриках могут возникать дополнительные потери, из-за наличия полупроводящих примесей:

• влага,
• газ,
• углерод,
• окислы железа.

Потери в органических полярных диэлектриках обусловлены структурной поляризацией благодаря неплотной упаковки частиц. Данный вид потерь зависит от температуры, имея максимум при определенной температуре и от частоты, увеличиваясь с ее ростом. По этой причине такие диэлектрики не используются в полях высоких частот.