Какие поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями

ИЭ / Лабораторные / 7 лаба / №7 Поляризация и диэлектрические потери

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ Цель работы – получение первоначальных представлений о механизмах поляризации и диэлектрических потерь, освоение методики определения диэлектрической проницаемости ′ и тангенса угла диэлектрических потерь tg диэлектриков, анализ основных факторов, влияющих на данные параметры . Основные положения Электроизоляционные материалы образуют самый многочисленный класс ЭТМ. Все виды этих материалов описать невозможно. Можно лишь дать представление об основах рациональной классификации материалов и общие для тех или иных групп особенности. Диэлектрическими называются материалы, основным свойством, которых является способность к поляризации и в которых могут существовать электростатические поля. Отличительной чертой этих материалов является практически полное отсутствие свободных электронов. Поляризацией называется процесс ограниченного смещения или ориентации связанных электрических зарядов в диэлектрике под действием электрического поля. Этот процесс происходит во всем объеме и сопровождается выделением зарядов на поверхности материала у электродов, помещенных на образец диэлектрика (рис. 1). При наложении поля разноименные заряды в атомах (молекулах) диэлектрика несколько смещаются друг от друга, образуя диполи c электрическим (дипольным) моментом.

Рис. 1. Электрическое поле в конденсаторе а- без диэлектрика; б – с диэлектриком Дипольный момент p i определяется формулой p i = q i ·l i , где q i – заряд i-го носителя, l i – расстояние между зарядами.

Поляризованный диэлектрик характеризуется дипольным моментом единицы объема – поляризованностью Р

p i
P = lim	i	,
	V
V → 0

где р i – дипольный момент i-той частицы (атома, молекулы); V – единичный объем диэлектрика; .Поляризованность зависит от напряженности поля Е и способности вещества поляризоваться, характеризуемой величиной электрической восприимчивости вещества Р= 0 Е, где 0 = 8,85 10 -12 Ф/м – электрическая постоянная. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля и самопроизвольную (спонтанную, существующую в отсутствии поля). Связи между атомами в молекуле диэлектрика могут быть полярными и неполярными, соответственно, существует разделение диэлектриков на полярные и неполярные материалы. Молекулы неполярного диэлектрика не обладают дипольным моментом в отсутствие электрического поля, а полярные обладают. К неполярным диэлектрикам относятся полиэтилен ПЭ, политетрафторэтилен (фторопласт) ПТФЭ, полипропилен ПП и др., к полярным – полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, поливинилхлорид ПВХ, поливинилбутираль ПВБ и др. В зависимости от специфики структуры материала ему могут быть присущи различные виды поляризации (как один, так и несколько). Под воздействием внешнего электрического поля происходит: — упругое смещение электронных оболочек (электронная поляризация); — упругое смещение ионов кристаллической решетки (ионная поляризация); — ориентация дипольных моментов полярных групп и молекул по направлению поля (дипольная или дипольно-релаксационная поляризация)4 — перемещение (миграция) зарядов в полупроводящих включениях до их границ и накопления этих зарядов на границе раздела (миграционная поляризация). Поляризацию вещества численно характеризуют вектором электрического смещения D D= a E= 0 E, где а и – абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости вещества, соответственно. Между , Р и ′ существует связь =1+Р/( 0 Е) =1+ .

Мерой	поляризации	диэлектриков	является	относительная
диэлектрическая проницаемость. Относительную				диэлектрическую

проницаемость можно определить как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С к емкости того же конденсатора, но без диэлектрика, а с вакуумом С 0 = С / С 0 . Относительная диэлектрическая проницаемость газов близка к единице (ε воздуха = 1,006), относительная диэлектрическая проницаемость жидкостей зависит от их полярности и меняется от 2 до 10 (у высоко полярных жидкостей может достигать 30), ′ твердых веществ колеблется от 2 до 10 5 и более (керамика). Электронная поляризация. Представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. На рис.2 приведена схема атомов водорода в отсутствии внешнего поля (а) и при его воздействии (б). Поскольку все тела состоят из атомов (ионов), то данный вид поляризации присутствует у всех диэлектриков. а). б). Рис. 2. Схема электронной поляризации между пластинами конденсатора а. поле отсутствует; б. поле приложено Электронная поляризация относится к быстрым видам поляризации, время ее установления составляет 10 -15 с, то есть электронная поляризация устанавливается практически мгновенно. В диапазоне частот 0÷10 14 Гц диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты. Данный вид поляризации не сопровождается потерями энергии вплоть до резонансных частот (10 14 –10 15 Гц). Величина относительной диэлектрической проницаемости вещества с чисто электронной поляризацией лежит в пределах 2,0 – 2,5 и численно равна квадрату показателя преломления света. Исключительно электронную поляризацию имеют неполярные

вещества:
— газообразные (водород,		кислород, азот);
— жидкие (нефтяные масла, октол,);
-твердые	(полиэтилен	ПЭ, полипропилен ПП, полистирол ПС,

политетрафторэтилен ПТФЭ, парафин, . ). Неполярные диэлектрики имеют низкие диэлектрические потери и применяются как высокочастотные (ВЧ) материалы.

Электронная поляризация присуща всем без исключения диэлектрикам, но часто на электронную поляризацию накладываются другие ее виды. Ионная поляризация. Наблюдается у веществ, имеющих ионную структуру: в кристаллах и неорганических материалах (слюда, керамика). Ионная поляризация представляет собой упругое смещение ионов в узлах кристаллической решетки. Типичный пример — NaCI, состоящий из положительных ионов Na + и отрицательных CI — (рис.3). Рис. 3. Схема ионной поляризации кристалла NaCI Поскольку размеры ионов по размерам больше электронов, время ее установления несколько больше, чем электронной ( ионной поляризации составляет 10 -12 –10 -13 с). Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты так же отсутствует вплоть до резонансных частот ― 10 10 –10 13 Гц. Значения относительной диэлектрической проницаемость вещества с ионной поляризацией обычно лежит в пределах 4–30, а в ряде керамических материалов могут быть больше. Как и при электронной поляризации, вплоть до резонансных частот диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты и не связана с потерями энергии. Дипольная поляризация (ориентационная, дипольно- релаксационная). Имеет место в полярных диэлектриках, молекулы которых имеют несимметричное строение и обладают дипольным моментом. При этом виде поляризации дипольные молекулы (диполи), находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием внешнего электрического поля (рис.4). Рис. 4. Схема дипольной поляризации

Дипольная ориентация происходит относительно медленно (время ее установления составляет 10 -8 –10 -6 с и более). Она сопровождается потерями энергии, которая затрачивается на преодоление внутреннего трения в

материале при повороте диполей. В области частот 10 6 –10 8 Гц период изменения поля соизмерим со временем установления поляризации, диполи не успевают ориентироваться и диэлектрическая поляризация резко снижается до значений, характерных для электронной поляризации. К полярным диэлектрикам относятся: — полярные газы (НСl, HBr, СО 2 и др.); -полярные жидкости (вода, совол, совтол, касторовое масло и др.); -твердые вещества, например, полярные полимеры (поливинилхлорид ПВХ, полиэтилентерефталат (лавсан) ПЭТФ, полиметилметакрилат ПММА, целлюлоза (бумага, картон) и др.). В случае полимеров поляризация обусловлена поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов (ОН, Cl, NH 3 и др.) по отношению к неподвижной молекуле. Этот вид поляризации обычно называют дипольно-радикальной или дипольно-ориентационной. Величина относительной диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков обычно составляет 3–9, но иногда достигает и нескольких десятков (например, для воды ′= 81, спиртов 20-30). Миграционная поляризация (междуслоевая, структурная) . Наблюдается в некоторых диэлектриках неоднородной структуры, при наличии макроскопических включений, примесей (особенно полупроводящих). В случае диэлектрика с полупроводящими включениями этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накоплении зарядов на границах раздела. Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленны и могут продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому она обычно наблюдается лишь при низких частотах. Миграционная поляризация присуща слоистым пластикам, миканитам, а так же в приэлектродных слоях. Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях при наличии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери). В постоянном электрическом поле потери энергии обусловлены только током проводимости и определяются по формулам = скв = 2 = скв 2 из , из

– сопротивление изоляции, постоянное напряжение, приложенное к диэлектрику, I скв – ток сквозной проводимости (ток утечки) в изоляции.

В переменном электрическом поле потери энергии определяются более сложными закономерностями. Они складываются из следующих составляющих: — потери от проводимости, обусловленные сквозным током, протекающим через диэлектрик; — потери от дипольной поляризации, вызванные внутренним трением в диэлектрике (полярные диэлектрики); — потери от ионизации воздушных включений (ионизация воздуха в порах и зазорах в материале). Замедленные виды поляризации (дипольно-релаксационная и миграционная) идут с большими затратами энергии внешнего электрического поля, при этом величины и tg материала существенно зависят от частоты поля и температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в материале характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь. На рис.5 приведены векторные диаграммы токов и напряжений в проводнике (а), идеальном (б) и реальном диэлектриках (в), находящихся в переменном электрическом поле. . Рис. 5. Векторные диаграммы токов и напряжений в проводнике (а), идеальном диэлектрике (б) и реальном диэлектрике (в), находящихся в переменном электрическом поле Конденсатор с идеальным диэлектриком (без потерь) в переменном поле имеет чисто реактивный (емкостной) ток, так что на векторной диаграмме ток через конденсатор опережает напряжение U на угол /2 (рис.5б). В реальном конденсаторе ток и напряжение сдвинуты по фазе на угол . Полный ток I можно разложить на активную I а = I sin и реактивную I c = I cos составляющие (рис.5в). Угол , дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи с реальным диэлектриком, называют углом диэлектрических потерь . Тангенс угла ( tg ) определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле.

Таким образом, в случае воздействия переменного электрического поля диэлектрик характеризуется двумя основными параметрами:

—	относительной	диэлектрической проницаемостью (определяет его
способность к поляризации);
—	тангенсом угла диэлектрических потерь tg .
При этом	= С / C 0,

где С – емкость конденсатора с диэлектриком, С о – емкость конденсатора без диэлектрика (между обкладками – вакуум); tg = I а / I C , где I а и I C активный и реактивный ток, соответственно. Влияние частоты электрического поля на диэлектрические параметры. Диэлектрические характеристики определяется структурой материала, а, следовательно, типом поляризации в веществе. Обобщенные зависимости и tg от частоты для диэлектриков, имеющих, миграционную, дипольно-релаксационную, ионную и электронную поляризации, схематически изображены на рис. 6. Рис.6. Обобщенная зависимость диэлектрической проницаемости вещества от частоты поляризующего поля (на нижнем графике вместо должно быть tg ) В случае электронной поляризации частота не влияет на величину диэлектрической проницаемости до 10 15 Гц (рис.7а). В случае ионной поляризации частота поля не влияет вплоть до 10 12 Гц.

Рис.7. Влияние частоты электромагнитного поля на диэлектрическую проницаемость неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков Для замедленных видов поляризации (дипольной и миграционной) влияние частоты и температуры на диэлектрические параметры оказывается более сложным. Под действием внешнего переменного электрического поля происходит ориентация полярных групп, а тепловое хаотическое движение молекул оказывает наоборот разориентирующее действие. После отключения электрического поля ориентация дипольных молекул постепенно ослабевает из-за теплового движения по экспоненциальному закону. Таким образом, происходит релаксация (от латинского relaxtio— ослабление), возврат к исходному состоянию вещества. Математически этот процесс релаксации выражается функцией N τ =N o exp(-τ/ 0 ) , где N 0 и N , — число ориентированных диполей в начальный (в момент отключения поля) и текущий моменты времени; τ — время, прошедшее с момента снятия поля; 0 — постоянная времени релаксации. Если принять τ = 0 , то получим N τ =N 0 /e . Таким образом, время релаксации 0 – это время, за которое число ориентированных диполей уменьшается в е раз. Время релаксации существенно зависит от температуры (чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей, тем меньше время релаксации). Учет механизма релаксации, свойственного дипольной поляризации, часто отражается в широко распространенном названии этого вида поляризации – дипольнорелаксационная поляризация. При низких частотах, менее 1/ 0 , процесс поляризации успевает следовать за изменением направления электрического поля и величина ‘ не зависит от частоты до f′= 10 6 – 10 8 Гц (рис. 6, 7б). В случае высоких частот дипольные молекулы не успевают поворачиваться при быстрых изменениях направления поля, дипольная поляризация ослабевает и ‘ снижается (рис.6, 7а) до значения ‘ эл , обусловленного электронной поляризацией, имеющей

место во всех веществах. Влияние температуры на диэлектрические параметры. Для диэлектриков с электронной поляризацией (неполярные материалы) зависимость относительной диэлектрической проницаемости от температуры определяется только изменением плотности вещества. При нагревании вещество расширяется, уменьшается число атомов (ионов) в единице объема и, соответственно, число электронов в единице объема, поляризация ослабевает. Кривая зависимости ‘ от температуры подобна кривой изменения плотности (рис.8а.). При переходе через точку плавления наблюдается скачек ‘. Рис.8. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости неполярного (а) и полярного (б) диэлектриков от температуры Для материалов с ионным типом поляризации с повышением температуры расстояния между ионами увеличиваются вследствие теплового расширения материала. В большинстве случаев это сопровождается ослаблением химических сил упругой связи, поэтому поляризуемость ионов возрастает, т. е. они легче смещаются под действием электрического поля. В связи с этим величина ‘ ионных диэлектриков обычно растет с температурой. На рис. 8б приведены характерные кривые зависимости ‘ от температуры полярного диэлектрика (дипольно-релаксационная поляризация), измеренные на разных частотах (f 1

Дипольно-релаксационные потери при повышении температуры проходят через максимум. При очень низких температурах, когда вязкость вещества велика, диполи неподвижны, потерь нет; при очень высоких температурах вязкость мала и диполи вращаются, не испытывая трения. В общем случае на температурной зависимости может наблюдаться несколько максимумов. Например, на кривой tg =f(T) для бумаги, пропитанной масляноканифольным компаундом, наблюдаются два максимума — при низких температурах это максимум, свойственный самой бумаге, при более высоких — компаунда. Если в диэлектрике имеют место два механизма потерь (на проводимость и дипольную поляризацию), то суммарная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры может быть получена сложением кривых, описывающих потери проводимости и дипольные потери. Рост температуры всегда приводит к росту tg за счет увеличения потерь проводимости (рис. 9а). Максимум на суммарной кривой потерь часто не фиксируется, так как он маскируется высокими потерями проводимости. 1 2 1 3 2 3 Рис. 9. Зависимость tg диэлектрика от температуры (а) и частоты (б) 1—общие (суммарные) потери; 2— потери проводимости; 3 — дипольные потери В случае диэлектрических потерь, обусловленных сквозной проводимостью, по мере увеличения частоты tg снижается по гиперболическому закону (рис. 9б). Активная мощность потерь в этом случае не зависит от частоты. Потери, вызванные дипольной поляризацией, на первом этапе с ростом частоты увеличивается, так как диполи чаще должны ориентироваться по полю и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты, соответствующей максимуму tg , после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери в диэлектрике уменьшаются. Максимум в частотной зависимости tg характерен также и для

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени е диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери энергии определяются только силой сквозного тока, обусловленного объемной и поверхностной проводимостями. При переменном напряжении к этим потерям добавляются потери, обусловленные различного вида поляризациями, а также наличием полупроводниковых примесей, окислов железа, углерода, газовых включений и т. п.

Рассматривая простейший диэлектрик, можно записать выражение рассеиваемой в нем под воздействием переменного напряжения мощности:

где U — приложенное к диэлектрику напряжение, I а — активная составляющая тока, протекающего через диэлектрик.

Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):

где δ — угол между вектором полного тока I и его емкостной составляющей Ic.

где — емкость конденсатора (данного диэлектрика) при угловой частоте ω .

В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна

Pa = U 2 ·ω·C · tgδ ,

то есть потери энергии, рассеиваемые в диэлектрике, пропорциональны тангенсу угла δ , который называется углом диэлектрических потерь или просто углом потерь. Этот угол δ к характеризует качество диэлектрика. Чей меньше угол д иэлектрических потерь δ , тем выше диэлектрические свойства изоляционного материала.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящимся под напряжением переменного тока.

Введение понятия угла δ удобно для практики тем, что вместо абсолютного значения диэлектрических потерь рассматривается относительное значение, позволяющее сравнить между собой изоляционные изделия с различными по качеству диэлектриками.

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах малы. Газы имеют весьма малую электропроводность. Ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Зависимость tgδ = f ( U ) называют кривой ионизации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для изоляции с воздушными включениями

По возрастанию tgδ с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции. При значительных ионизации и потерях в газе может произойти разогрев и разрушение изоляции. Поэтому изоляцию обмоток высоковольтных электрических машин для удаления газовых включений при изготовлении подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, обкатке к прессовке.

Ионизация воздушных включений сопровождается образованием озона и окислов азота, разрушительно действующих на органическую изоляцию. Ионизация воздуха в неравномерных полях, например в линиях электропередач, сопровождается видимым световым аффектом (короной) и значительными потерями, что снижает к. п. д. передачи.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В нейтральных (неполярных) жидкостях без примесей электропроводность очень мала, поэтому в них малы и диэлектрические потери. Например, очищенное конденсаторное масло имеет tgδ

В технике наибольшее распространение получили полярные жидкости (совол, касторовое масло и т.п.) или смеси нейтральных и дипольных жидкостей (трансформаторное масло, компаунды и т. п.) у которых диэлектрические потери значительно больше, чем у нейтральных жидкостей. Например, tgδ касторового масла при частоте 10 6 Гц и температуре 20 о С (293 К) равен 0,01.

Диэлектрические потери полярных жидкостей зависят от вязкости. Эти потери называют дипольными, так как они обусловлены дипольной поляризацией.

При малой вязкости молекулы ориентируются под действием поля без трения, дипольные потери при этом малы, а общие диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. С увеличением вязкости дипольные потери возрастают. При некоторой вязкости наступает максимум потерь.

Это объясняется тем, что при достаточно большой вязкости молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом малы. При повышении частоты максимум потерь смещается в область более высокой температуры.

Зависимость потерь от температуры носит сложный характер: tgδ увеличивается с ростом температуры, достигает своего максимума, затем уменьшается до минимума, после чего снова возрастает, это объясняется ростом электропроводности. Дипольные потери возрастают с увеличением частоты до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, после чего дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и потери становятся постоянными.

В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, а потери дипольные незначительны, при радиочастотах, наоборот, дипольные потери велики. Поэтому дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры (кристаллической или аморфной), состава (органического или неорганического) и характера поляризации. В таких твердых нейтральных диэлектриках, как сера, парафин, полистирол, обладающих только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. Потери могут быть обусловлены только примесями. Поэтому такие материалы находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Неорганические материалы, такие, как монокристаллы каменной соли, сильвина, кварца, чистой слюды, обладающие электронной и ионной поляризациями, имеют малые диэлектрические потери, обусловленные только сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в этих кристаллах не зависят от частоты, a tgδ уменьшается с ростом частоты. С увеличением температуры потери и tgft меняются так же, как и электропроводность, возрастая по закону экспоненциальной функции.

В стеклах различного состава, например, керамике с большим содержанием стекловидной фазы, наблюдаются потери, обусловленные электропроводностью. Эти потери вызваны передвижением слабо связанных ионов, обычно они проявляются при температурах выше 50 — 100 о С (323 — 373 К). Эти потери заметно возрастают с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависят от частоты ( tgδ уменьшается с ростом частоты).

В неорганических поликристаллических диэлектриках (мрамор, керамика и т. п.) возникают дополнительные диэлектрические потери, вызванные наличием полупроводящих примесей: влаги, окислов железа, углерода, газа и т. п. Потери в полукристаллических телах могут иметь разные значения даже для одного и того же материала, поскольку свойства материала меняются под воздействием условий окружающей среды.

Диэлектрические потери в органических полярных диэлектриках (древесина, эфиры целлюлозы, натуральный щелк, синтетические смолы) обусловлены структурной поляризацией за счет неплотной упаковки частиц. Эти потери зависят от температуры, имея максимум при определенной температуре, а также от частоты, увеличиваясь с ее ростом. Поэтому упомянутые диэлектрики не применяют в полях высоких частот.

Характерно, что зависимость tgδ от температуры для бумаги, пропитанной компаундом, имеет два максимума: первый наблюдается при отрицательных температурах и характеризует потери клетчатки, второй максимум при повышенной температуре обусловлен дипольным потерями компаунда. С увеличением температуры в полярных диэлектриках возрастают потери, связанные с электропроводностью.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика с потерями

Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

Они не зависят от частоты:

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле:

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле:

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Но так как у газов электропроводность очень мала, то угол диэлектрических потерь ничтожно мал. Величину tgδ можно определить по формуле (1). Для газа tgδ ≈ 4·10 –8 .

При напряженностях поля больше E_кр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t₁. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном жидком диэлектрике

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Поляризация диэлектриков

Основными электрическими процессами, возникающими в диэлектриках под воздействием приложенного напряжения, являются процессы поляризации, электропроводности и пробоя диэлектриков .
Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных частиц, входящих в состав диэлектриков. Различают следующие основные виды поляризации: электронная, ионная, дипольная, спонтанная и некоторые другие.
Процесс поляризации диэлектриков описывается уравнением Клаузиуса — Мосотти

где — диэлектрическая проницаемость электроизоляционного материала; — число частиц (молекул, ионов) в 1 см3 материала; — поляризуемость частицы (молекула, ион); Р — удельная поляризация диэлектрика.
Уравнение Клаузиуса — Мосотти устанавливает связь между практической характеристикой материала — диэлектрической проницаемостью , физической постоянной материала и числом поляризующихся частиц в единице объема диэлектрика .
Электронная поляризация представляет собой процесс упругого смещения электронов (электронных орбит) относительно ядра во всех атомах диэлектрика. Процесс электронной поляризации является процессом мгновенным. Он происходит за время с. Электронная поляризация имеет место во всех диэлектриках.
Электронная поляризуемость зависит от структуры частицы. Чем больше радиус молекулы или иона, тем больше и величина данного диэлектрика.
В пропорциональной зависимости от числа частиц в единице объема диэлектрика находится и величина . С нагреванием, когда плотность диэлектрика уменьшается, наблюдается уменьшение е нейтрального диэлектрика (рис. 5-1, кривая 1).
У диэлектриков с чисто электронной поляризацией величина численно равна квадрату показателя преломления света.
Процесс ионной поляризации представляет собой упругое смещение под действием электрического поля ионов относительно центров их равновесия. Поляризация ионного смещения происходит за время, сравнимое со временем собственных колебаний ионов, и составляет с.
Интенсивность процесса ионной поляризации в уравнении Клаузиуса — Мосотти учитывается величиной ионной поляризуемости :

где е — заряд иона; b — коэффициент упругой связи между ионами.
С повышением температуры ионного диэлектрика величина аи возрастает в связи с ослаблением упругих сил в ионном диэлектрике и увеличением амплитуды колебаний иона. Поэтому интенсивность процесса ионной поляризации возрастает с повышением температуры. В ионных диэлектриках одновременно с поляризацией ионного смещения развивается также процесс электронной поляризации — явление, которое с нагревом и расширением диэлектрика понижается, но суммарный эффект поляризации у большинства ионных диэлектриков возрастает (рис. 5-2) с повышением их температуры.
Электронная и ионная поляризации представляют собой виды деформационной поляризации, не вызывающие потерь энергии в диэлектриках. Дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация протекает в полярных диэлектриках под действием электрического поля. Этот вид поляризации представляет собой ориентацию — поворот полярных молекул в направлении действующего электрического поля.
Поляризуемость полярных молекул а_д определяется выражением

где — начальный электрический момент полярной молекулы; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Зависимость ε от температуры для ионного кристаллического диэлектрика.

Рис. 5.2

Зависимость ε от частоты для электроизоляционных жидкостей.
1-нейтральная жидкость; 2-полярная жидкость.

Рис. 5.3

Зависимость ε галовакса от температуры при разных частотах.

Рис. 5.4

При повышении температуры диэлектрика интенсивность дипольной поляризации возрастает в связи с ослаблением междумолекулярных сил и понижением коэффициента внутреннего трения. Поэтому с повышением температуры вначале полярных диэлектриков увеличивается (рис. 5-1), С дальнейшим ростом температуры интенсивность хаотического теплового движения полярных молекул начинает преобладать над ориентирующим действием электрического поля и эффект дипольной поляризации понижается. Это в свою очередь вызывает уменьшение полярных диэлектриков.
Для ориентации полярных молекул в процессе дипольной поляризации требуются промежутки времен, значительно большие по сравнению со временем для процессов деформационных поляризаций. Естественно, диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков в сильной степени зависит от частоты электрического поля (рис. 5-3). В начальном диапазоне частот полярные молекулы успевают совершить свой поворот за время одного полупериода. При этом практически равна при постоянном напряжении. С дальнейшим ростом частоты время одного полупериода сокращается и ряд молекул выпадает из процесса дипольной поляризации. При этом диэлектрическая проницаемость диэлектрика резко снижается, достигая (при очень больших частотах) значения , обусловленного только электронной поляризацией молекул диэлектрика. Критическая частота , с которой начинается резкое снижение эффекта дипольной поляризации, может быть определена по формуле

где — радиус полярной молекулы; — абсолютная вязкость; — постоянная Больцмана; — абсолютная температура.
Дипольная поляризация ярко выражена у полярных газов и жидкостей (касторовое масло, совол и др.). В твердых полярных диэлектриках дипольная поляризация представляет собой не ориентацию самих полярных молекул, а поворот имеющихся в молекулах полярных радикалов, например гидроксильных групп в молекулах целлюлозы, бакелита и др. Этот вид дипольно-релаксационной поляризации иногда называется структурной поляризацией. На рис. 5-4 представлена зависимость твердого полярного диэлектрика — галовакса от температуры при разных частотах.
Значения диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков зависят от размеров полярных молекул и величин их начального электрического момента. Чем меньше размер полярной молекулы — диполя и больше величина ее начального момента , тем больше данного диэлектрика. У полярных диэлектриков одновременно имеют место дипольная и электронная поляризации. Вследствие этого суммарный эффект поляризации полярных диэлектриков, а следовательно, и значения их диэлектрических проницаемостей намного выше, чем у нейтральных диэлектриков (табл. 5-1).
Дипольно-релаксационные поляризации вызывают потери энергии в диэлектриках, так как электрическое поле затрачивает энергию на поворот полярных молекул (диполей). Эта энергия рассеивается в полярных диэлектриках в виде тепла, которое вызывает нагрев последних. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь . На рис. 5-5 показаны зависимости этой характеристики от температуры для нейтральной и црлярной жидкостей.
У тщательно очищенных нейтральных диэлектриков диэлектрические потери обусловлены преимущественно токами проводимости, величины которых возрастают с повышением температуры диэлектрика. В связи с этим возрастает и . У полярных диэлектриков наблюдается максимум при такой величине вязкости диэлектрика, когда в процессе дипольной поляризации принимает участие наибольшее количество полярных молекул. Понижение величины с дальнейшим повышением температуры обусловлено ростом интенсивности беспорядочного теплового движения полярных молекул. Вторичный подъем вызван увеличением тока проводимости в диэлектрике.
На рис. 5-6 представлена частотная зависимость для полярной жидкости. Максимум здесь соответствует частоте , с которой начинается снижение величины (рис. 5-3) и . Это объясняется тем, что большинство полярных молекул выходит из процесса дипольной поляризации в связи с уменьшением времени одного полупериода при дальнейшем увеличении частоты электрического поля.
Еще один вид релаксационной поляризации наблюдается в неорганических стеклах, а также в ионных кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (муллит в фарфоре и др.). В этих диэлектриках слабо связанные ионы, находящиеся в состоянии хаотических тепловых колебаний, перебрасываются электрическим полем. Этот процесс получил название ионно-релаксационной поляризации . Переброс слабо связанных ионов вызывает дополнительные потери энергии.
Самопроизвольная (спонтанная поляризация) представляет собой процесс самопроизвольной ориентации диполей, наблюдаемой внутри отдельных областей (доменов) диэлектрика в отсутствие электрического поля. Самопроизвольная поляризация имеет место у материалов, называемых сегнетоэлектриками .
В отсутствие электрического поля электрические моменты отдельных областей (доменов) диэлектрика направлены беспорядочно, но они взаимно уравновешивают друг друга. Наложение на диэлектрик электрического поля вызывает ориентацию диполей в направлении поля. При этом интенсивность поляризации резко возрастает, вследствие чего наблюдается сильный рост диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика. Этот процесс продолжается до определенной напряженности электрического поля, а затем наступает насыщение (рис. 5-7). Дальнейшее повышение напряженности не увеличивает интенсивности поляризации, и рост прекращается. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических материалов имеет также ярко выраженный максимум при вполне определенной температуре (рис. 5-8). Эта температура называется сегнетоэлектрической температурой Кюри ( ). Наличие спонтанной поляризации обусловливает аномально большие значения у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария и др.). Процесс самопроизвольной поляризации сопровождается затратой энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.