Диэлектрические потери
Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Как общее правило, потери мощности в образце материала или изделия из него, при прочих равных условиях, прямо пропорциональны квадрату приложенного напряжения.
В отличие от проводников в диэлектриках обнаруживается характерная особенность: при данном напряжении рассеивание мощности в них зависит от частоты напряжения, причём затраты мощности при переменном напряжении заметно больше, чем при постоянном и быстро возрастают при увеличении частоты, напряжения, ёмкости и зависят от материала диэлектрика.
При постоянном напряжении единственной причиной диэлектрических потерь является наличие сквозного тока через диэлектрик. В этом случае диэлектрические потери при приложении к диэлектрику напряжения U определяются просто:
При переменном напряжении дополнительной причиной диэлектрических потерь служат активные составляющие поляризационных токов.
В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а так же тангенс этого угла.
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90 о угол фазового сдвига между током и напряжением в диэлектрике:
Для идеального диэлектрика без потерь . С ростом диэлектрических потерь угол увеличивается. Понятие угла диэлектрических потерь можно проиллюстрировать векторной диаграммой тока и напряжения для параллельной схемы замещения реального диэлектрика на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Векторная диаграмма диэлектрика с потерями.
Вектор тока I можно разложить на две составляющие: активную IА, совпадающую по направлению с вектором напряжения, и реактивную IР, опережающую вектор напряжения на 90 0 . Очевидно, что мощность потерь пропорциональна активной составляющей тока:
Реактивная составляющая вектора тока через диэлектрик есть чисто емкостной ток перезаряда конденсатора. Его можно рассчитать следующим образом:
где Xc – емкостное сопротивление конденсатора;
С – емкость диэлектрической конструкции;
= 2f – круговая частота приложенного напряжения;
Из геометрических соображений видно, что
Тогда мощность потерь в диэлектрике при приложении к нему переменного напряжения будет равна:
В связи с этим в качестве количественного показателя, характеризующего потери в диэлектрических материалах на переменном напряжении, на практике используется не непосредственно угол диэлектрических потерь , а его тангенс tg. Эта величина обычно приводится в справочных данных по диэлектрическим материалам.
Ёмкость диэлектрика для расчёта мощности потерь можно определить по формуле:
где S – площадь граней, к которым подводится напряжение;
h – толщина диэлектрика.
Тангенс угла диэлектрических потерь в условиях эксплуатации величина не постоянная. Основным фактором, влияющим на tg твёрдых диэлектриков, является температура. Для различных диэлектриков зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры различна. В то же время для большинства материалов, имеющих широкое распространение в технике, эта зависимость может быть хорошо описана экспоненциальным законом:
где tg0 – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т0;
tg – то же при температуре Т;
– постоянный коэффициент, характеризующий материал.
При комнатной температуре тангенс угла диэлектрических потерь ультрафарфора tg0 = 510 -4 , а при повышении температуры до 100 0 С он возрастает в два раза. Чему равен tg этого материала при температуре 200 0 С? Во сколько раз увеличится активная мощность, выделяющаяся в высокочастотном проходном изоляторе из этого материала, при изменении температуры от 20 до 200 0 С? Изменением диэлектрической проницаемости керамики пренебречь.
Потери в ультрафарфоре обусловлены сквозной электропроводностью, поэтому тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается с температурой по экспоненциальному закону:
где tg0 – значение при температуре Т0 = 20 0 С;
– температурный коэффициент tg, который может быть найден из выражения:
Тогда tg200 = 2,3810 -3 .
Выделяющаяся в изоляторе активная мощность Ра растёт с температурой пропорционально tg. Поэтому
Между латунными электродами площадью S помещена керамическая пластина толщиной h = 5 мм, имеющая диэлектрическую проницаемость = 7, тангенс угла диэлектрических потерь при комнатной температуре tg0 = 210 -4 , температурный коэффициент tg = 510 -3 К -1 . Определить допустимое напряжение U между электродами на рабочей частоте f = 50 МГц, если температура, до которой нагревается пластина в электрическом поле, не превышает Т = 373 К. При расчёте полагать, что суммарный коэффициент теплопередачи от диэлектрика во внешнюю среду = 30 , а температура окружающей среды Т0 = 293 К.
Мощность, отводимая от диэлектрика, РТ = 2S(Т – То).
Из равенства РА = РТ находим:
Какие дополнительные диэлектрические потери возникают в двухслойном диэлектрике, слои которого параллельны плоскостям электродов (рисунок 1.9)?
При отношении удельных проводимостей слоёв 1/2 = 3 каким должно быть отношение диэлектрических проницаемостей слоёв, чтобы дополнительные диэлектрические потери не возникали?
В слоистых диэлектриках дополнительные диэлектрические потери возникают из-за миграционной поляризации, механизм которой заключается в накоплении свободных зарядов на границе раздела слоёв с различной электропроводностью. На определенной частоте эти заряды не успевают рассасываться в течение полупериода изменения приложенного напряжения, поляризация становится запаздывающая и сопровождается потерями. Однако если постоянные времени слоёв = RизC одинаковы, то на границе раздела заряды не накапливаются и потери, обусловленные миграционной поляризацией не возникают. При этом , т.е. .
Виды диэлектрических потерь
Диэлектрические потери по своей природе и физической сущности или воздействию электрического поля делятся на четыре основных вида:
1) диэлектрические потери, обусловленные всеми видами мгновенной и замедленной поляризацией в диэлектриках;
2) потери от сквозной электропроводности;
3) ионизационные потери;
4) потери, вызванные неоднородностью структуры
Таким образом, три явления электрического поля определяют или вызывают нагрев диэлектрика: поляризация, электропроводность и ионизация.
Поляризация обусловливает изменение и соответственно tg в веществах, обладающих релаксационными поляризациями или в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов или дипольной структуры с ковалентной связью между молекулами. Поляризация вызывает нарушение теплового движения частиц по направлению электрического поля и приводит к рассеянию энергии или нагреву диэлектрика. Такие потери возрастают при увеличении частоты приложенного напряжения и могут резко проявится на высокой частоте. Однако, если при высокой частоте поляризация не проявляется (ионы или диполи не успевают сместиться вслед частоте электрического поля), то tg падает. Это характерно для большинства технических диэлектриков со стекловидной фазой в структуре.
В сегнетоэлектриках потери от спонтанной поляризация наблюдаются значительными до точки Кюри, так как успевают смещаться заряды или отслеживают изменение температуры. За пределами точки Кюри потери уменьшаются и значительно, так как не проявляется поляризация.
В радиотехнических материалах при световых частотах, за пределами МГц, проявляются резонансные потери. Это наблюдается в газах, когда идет интенсивное поглощение энергии электрического поля и в твердых диэлектриках, когда частота вынужденных колебаний, вызванных электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц вещества.
Диэлектрические потери от электропроводности обнаруживаются в зависимости от объемной или поверхностной удельной проводимости вещества, поэтому
(46)
Здесь не зависит от частоты поля и tg уменьшается с увеличением частоты f по гиперболическому закону. Температурная зависимость в этом случае определяется как экспонента вида
, (47)
где А, b, а – постоянные материала; РТ – потери при температуре Т; Рt – потери при температуре t, 0 С; Р0 – потери при 0 0 С.
Ионизационные потери характерны для газообразных и неоднородных твердых диэлектриков с газовым включением. В неоднородном электрическом поле при напряженностях превышающих значение, соответствующее началу ионизации газа, имеем
где А1 — постоянный коэффициент, зависящий от вида материала; U- приложенное напряжение; Uи— напряжение ионизации, если U > Uи; f- частота поля.
Величина Uи зависит от давления газа, поскольку ионизация это соударение молекул при свободном пробеге электронов, и пропорционально увеличению его.
Диэлектрические потери, связанные с неоднородностью структуры диэлектриков, наблюдаются у многих технических диэлектриков — слоистых пластиков, пропитанных бумаг, пластических масс с наполнителями, в керамике, материалах на основе слюды, асбестовых материалах и т.д. Ввиду большого разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и содержащихся в них составляющих, общей формулы для расчета их диэлектрических потерь не существует. Однако, возможная оценка диэлектрических потерь в композиционных материалов связана с выделением тепла при двух явлениях: электропроводность и одно из явлений поляризация или ионизация, а то и всех трех явлений одновременно. Это обусловлено примесями или отдельными компонентами, введенными в диэлектрик для изменения его свойств.
Диэлектрические потери в газах при напряженности поля, ниже необходимой для возникновения ударной ионизации молекул, очень малы. В таком случае газ — идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь в газах является в основном электропроводность, потому что ориентация дипольных молекул в газах при их поляризации не сопровождается диэлектрическим потерями. Все газы имеют очень малую электропроводность, поэтому угол диэлектрических потерь у них мал, особенно на высоких частотах и выражаются зависимостью.
Диэлектрические потери в жидкостях существенно зависят от строения жидкости: в неполярных жидкостях (без примесей с дипольными молекулами), они обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость их тоже очень мала и малы диэлектрические потери. В этом случае tg очень мал. Полярные жидкости в зависимости от условий могут обладать большими потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией и потерями от электропроводности. Применяемые в технике диэлектрики могут представлять смеси неполярных и полярных веществ, например, масляно-канифольные компаунды, или могут быть полярными жидкостями. Жидкие полярные диэлектрики имеют заметную зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Диэлектрические потери в них в основном обусловлены поляризацией и называются дипольно-релаксационными потерями. Диполи, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением теплоты. Если вязкость жидкости велика, то молекулы не успевают следовать за изменением поля и потери от поляризации будут малы, дипольные потери малы также в жидкостях с малой вязкостью, т.к. поворот диполей происходит без трения. При средней вязкости дипольные потери могут быть достаточно велики и при некотором значении вязкости имеют максимум. Рассеиваемая мощность Ра при дипольно-релаксационных потерях в жидком диэлектрике возрастает с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают ориентироваться в направлении поля, и tg падает, потери становятся постоянными. При работе диэлектрика на синусоидальном переменном напряжении с угловой частотой ток абсорбции (от поляризации) будет также синусоидальным и имеет две составляющие — активную и реактивную. Через диэлектрик в этом случае протекают три тока:
1)емкостной ток, опережающий на 90 0 напряжение: Ic = U С, где С — геометрическая емкость, измеренная при высокой частоте, когда нет релаксационной поляризация;
2)ток абсорбции с активной и реактивной составляющими вычисляется по формулам:
Iаабс = U G 2 t 2 / ( 2 t 2 + 1); (49)
Irабс = U G t / ( 2 t 2 + 1), (50)
где U – приложенное напряжение; G – проводимость для сквозного тока из выражения G = U / icк при тангенсе угла фазы равном tg = t;
3)сквозной ток находится из выражения iск = U G = U / Rиз (51)
Диэлектрические потери твердых диэлектриков. С молекулярной структурой потери зависят от вида молекул. В неполярных молекулах и не устойчивой (Ван-дер-Ваальса) связью, вещества, не имеющие примеси, tg очень мал, оценивается электропроводностью, поэтому порядка 10 -4 . Это высокочастотные диэлектрики, как сера, парафин, полимеры и др. Для технических материалов с полярной молекулой и дипольно-релаксационной поляризацией потери значительные, т.е. явления электропроводности и поляризации повышают их до 10 -3 . К таким диэлектрикам можно отнести: целлюлозосодержащие материалы, материалы со стекловидной фазой (органические стекла); полиамиды (капрон и др.); каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др).
Диэлектрики с ионной структурой связаны с упаковкой ионов в решетке. Так tg 10 -3 для диэлектриков с кристаллической решеткой и плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, когда проявляется явление электропроводности. Это характерно для керамики и каменной соли. А проявление релаксационных поляризаций ( ионной и электронной) в материалах с не плотной упаковкой ионов значительно повышает tg 10 -2 , когда проявляются электропроводность и ионно- и электронно- релаксационные поляризации. Термическая обработка (обжиг, закалка) стекла снижает tg, а наличие щелочных окислов (N 2 O, K 2 O) при отсутствии тяжелых металлов (BaO, PbO) вызывают повышение tg, однако, введение только тяжелых окислов металлов снижает tg, так как проявляются явления электропроводности и электронно-релаксационной поляризации.
Сегнетоэлектрики и сложные, неоднородные структуры оцениваются более высокими диэлектрическими потерями, порядка tg 10 -1 . Здесь, наряду с электропроводностью, проявляется длительная спонтанная (сегнетова соль пьезоэлектрики, керамика) или миграционная (высоковольтная) (гетенакс, текстолит, фибра, пластические массы, миканит и др.) поляризации.
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
Виды диэлектрических потерь
Существует четыре основных вида диэлектрических потерь.
Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой ионов). В сегнетоэлектриках потери связаны с наличием спонтанной поляризации. К этому же виду потерь относят резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах.
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Характерны для диэлектриков, имеющих поверхностную или объёмную электропроводности (большие значения). Эти потери не зависят от частоты и увеличиваются с повышением температуры.
Ионизационные потери. Характерны для газообразных диэлектриков. Проявляются при напряжённостях поля, превышающих значение напряжённости, при котором начинается ионизация газа.
Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры диэлектрика. Проявляются в слоистых диэлектриках, пластмассах с наполнителем, керамике, Зависит от состава диэлектрика.
Диэлектрические потери в газах. Источником диэлектрических потерь в газе в основном может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. При напряжённости поля ниже того значения, при котором начинается ионизация газа, диэлектрические потери незначительны. На рисунке 1.19 показана зависимость tg от напряжения для диэлектрика с газовыми включениями. При напряжённости поля выше точки ионизации «С» начинается ионизация. Молекулы газа ионизируются и растут потери на ионизацию, достигая максимума при напряжении Umax≈2Uи. При напряжении пробоя Umax все воздушные включения ионизированы и энергия на ионизацию новых включений не требуется, tg d уменьшается.
Ионизация газа, заполняющего поры твёрдого диэлектрика, может привести к разогреву и разрушению изделий, включающих газовые включения (особенно это касается керамики). Ионизация воздуха происходит с выделением озона и оксидов азота, что ведёт к химическому разрушению твёрдой изоляции, содержащей газовые включения.
Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В жидких неполярных диэлектриках диэлектрические потери вызваны электропроводностью, поэтому они определяются сквозным током, значение которого зависит от удельной проводимости. С ростом температуры удельная проводимость экспоненциально возрастает, следовательно, возрастают и диэлектрические потери.
С ростом частоты в неполярных диэлектриках ёмкостной ток, протекающий через диэлектрик, возрастает, сквозной ток остаётся без изменений, следовательно, с ростом частоты диэлектрические потери падают. Для полярных диэлектриков (совол) диэлектрические потери вызваны электропроводностью и поляризацией, которые обуславливают значение сквозных токов и токов абсорбции. При низких температурах вязкость диэлектриков настолько велика, что диполи не могут ориентироваться по полю (“заморожены”). Проводимость жидкости мала, поэтому малы значения сквозных токов и токов абсорбции, следовательно и потери малы (видно на графике рис.1.20). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше, и они участвуют в поляризации. Так как ориентация молекул происходит с трением, то на работу, затрачиваемую для этого, идёт энергия, которая и рассеивается в диэлектрике. При этом возрастает активная составляющая тока абсорбции. При определённой температуре вязкость жидкости уменьшается до того значения, при котором диполи поворачиваются на максимальный угол и становятся противоположно ориентированными полю, при этом tg (диэлектрические потери) максимальные.
При дальнейшем повышении температуры тепловое движение дезориентируется, то есть диэлектрические потери уменьшаются. Дальнейшее повышение температуры вызывает рост проводимости жидкого диэлектрика, при этом возрастает сквозной ток, следовательно, возрастают и потери. На низких частотах диэлектрические потери в полярных диэлектриках определяются электропроводностью, то есть не изменяющимся со временем сквозным током. Диэлектрические потери, вызываемые током абсорбции в этом случае малы, так как число поворотов диполей в единицу времени мало. При повышение частоты повышается реактивная составляющая тока, и диэлектрические потери уменьшаются, вплоть до минимума. С ростом частоты увеличивается число поворотов диполей, возрастают потери вызванные током абсорбции, потери достигают своего максимума. При дальнейшем росте частоты для поворота диполей становится недостаточно времени, ток абсорбции уменьшается, и с ним уменьшаются диэлектрические потери, вплоть до минимальных.
Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках зависят от структуры, от строения диэлектрика и его состава.
Диэлектрические потери в диэлектриках с молекулярной структурой зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают малыми диэлектрическими потерями (церезин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен фторопласт 4).
Твёрдые диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами — это материалы на основе целлюлозы(бумага, картон), полярные полимеры, (полиметилметакрилат, фенолформальдегидные смолы). Они обладают высокими потерями, зависящими от температуры, которые обусловлены дипольно-релаксационной поляризацией.
Значение диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков с ионной структурой зависит от упаковки ионов кристаллической решётки. У диэлектриков с плотной упаковкой ионов без примесей диэлектрические потери незначительны, но с повышением температуры в таких диэлектриках возникают потери, связанные с электропроводностью (корунд ). Но при небольших количествах примесей диэлектрические потери резко увеличиваются. Вещества с неплотной упаковкой ионов (муллит, кордеирит, -глинозем). В этих веществах диэлектрические потери высоки, вызваны наличием релаксационной поляризации.
Диэлектрические потери в аморфных диэлектриках ионной структуры (неорганические стёкла). Потери связаны с электропроводностью и поляризациями. Возможны два варианта потерь:
а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте. Они обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Для снижения потерь производят термическую обработку – отжиг или закалку – для изменения структуры стекла.
б) потери, заметно возрастающие с температурой по экспоненциальному закону и мало зависящие от частоты. Эти потери вызываются передвижением слабосвязанных ионов. Обусловлены электропроводностью, появляются при температурах 50 о С — 100 о С. Чем большую электропроводность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов вызывает значительное повышение диэлектрических потерь (рис.1.21). Введение тяжелых оксидов снижает диэлектрические потери.
Диэлектрические потери в твёрдых неоднородных диэлектриках. К ним принадлежат материалы, в состав которых входит не менее 2-х компонентов (керамика, слюда, пропитанная бумага). Потери зависят от химического состава компонентов, входящих в диэлектрик, от количественного соотношения и остаточных воздушных включений. Так, зависимость tg от температуры для бумаги, пропитанной компаундом (рис.1.22), имеет два максимума: первый характеризует дипольно-радикальные потери самой бумаги, второй обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.
У сегнетоэлектриков диэлектрические потери вызваны спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Выше точки Кюри (125°) диэлектрические потери (tg d) падают, а до этого достаточно высоки. Изменения tg d от температуры и частоты в этом случае такие же, как и у твёрдых полярных диэлектриков.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: