Материал: №7 Поляризация и диэлектрические потери

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 Iа = I sin и реактивную Ic = 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:

где С – емкость конденсатора с диэлектриком, Со – емкость конденсатора без диэлектрика (между обкладками – вакуум);

tg = Iа /IC,

где Iа и IC 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 1015 Гц (рис.7а).

В случае ионной поляризации частота поля не влияет вплоть до 1012 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

Nτ=Noexp(-τ/ 0),

где N0 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

Nτ=N0/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′= 106 – 108Гц (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 (f1<f2<f3). При нагревании материала расстояние между молекулами увеличивается и диполи (радикалы) обретают дополнительную возможность для разворота, что обусловливает рост '. В области высоких температур (выше температуры максимума) дальнейшей ориентации диполей мешает усиливающееся тепловое движение. Поскольку тепловое движение атомов является хаотичным, с его интенсификацией ' начинает снижаться с ростом температуры.

Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и частоты. Как отмечалось выше, замедленные виды поляризации протекают с затратой энергии внешнего электрического поля, которая расходуется на преодоление межмолекулярного трения. Поэтому частота поля и температура существенно влияют и на величину tg полярных диэлектриков.

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