Діелектричні втрати

Втратами в діелектрику, або діелектричними втратами, називають потужність, що розсіює у вигляді тепла в діелектрику, поміщеному в електричне поле, тобто енергію зовнішнього електричного поля, затрачувану на нагрівання діелектрика в одну секунду.

При приміщенні діелектрика в постійне електричне поле в ньому протікає струм наскрізної провідності, або струм витоку. Відповідно до закону Джоуля-Ленца, протікання струму приводить до виділення тепла й нагріванню діелектрика, тобто до необоротних втрат енергії зовнішнього поля.

У діелектрику, що перебуває в змінному електричному полі, існують дві причини виникнення необоротних втрат енергії електричного поля:

- через протікання струму наскрізної провідності;

- через наявність уповільнених видів поляризації, що відстають від зміни поля.

Якщо поляризаційні процеси встигають випливати за зміною поля, то протягом першої чверті періоду на орієнтацію (зсув) зарядів затрачається енергія, що рівносильно нагріванню діелектрика, а при поверненні у вихідний стан, тобто в наступну чверть періоду, накопичена енергія зменшується, що рівносильно охолодженню діелектрика. Протягом періоду нагрівання компенсується охолодженням й, таким чином, необоротних втрат енергії немає. Такий процес характерний для швидких видів поляризації, а на низьких частотах - для практично всіх видів поляризації.

Якщо поляризаційні процеси відстають від зміни поля, то час на нагрівання діелектрика виявляється більшим, ніж час на охолодження. У результаті діелектрик нагрівається, тобто існують необоротні втрати енергії зовнішнього поля. Такий процес характерний для вповільнених видів поляризації при високих частотах зовнішнього поля.

При поляризації відбувається зсув зарядів, тобто рух зарядів. Це дає підставу розглядати процес поляризації як протікання струмів. Якщо при протіканні струму діелектрик не нагрівається, отже, це реактивний струм, що характерно для миттєвих і не відстаючих від зміни поля видів поляризації. При вповільнених видах поляризації, що відстають від зміни поля, діелектрик нагрівається, отже, такі процеси можна характеризувати як протікання в діелектрику активного струму. Подання поляризаційних процесів у вигляді протікання активних і реактивних струмів дозволяє кількісно характеризувати втрати в діелектрику. Для кількісної оцінки втрат користуються параметром, що називається тангенсом кута діелектричних втрат - tgδ. Фізичний зміст цього параметра можна зрозуміти, розглядаючи векторну діаграму напруги й струмів (мал. 2.4), присутніх у діелектрику, поміщеному в змінне електричне поле.

Iа

I_рг

Iо

Iск

Iра

Рис. 2.4. Векторна діаграма напруги й струмів у діелектрику.

На діаграмі позначений: Іо - реактивний струм за рахунок миттєвих видів поляризації; Ірг - реактивний струм за рахунок релаксаційних видів поляризації, що встигають за зміною поля; Іск - наскрізний струм, або струм витоку; Іра - активний струм за рахунок уповільнених видів поляризації, що відстають від зміни поля.

Реактивний струм (Іr = І₀ + Іpr) випереджає по фазі напруга U на 90°. Активний струм (Іа = Іск + Іра) збігається по фазі з напругою. Повний струм І зрушать по фазі щодо напруги на кут φ. Кут δ , що доповнює кут зрушення фаз φ між струмом і напругою до 90°, називається кутом діелектричних втрат.

Відповідно до векторної діаграми, тангенс кута діелектричних втрат визначається виразом

tgδ = Іa/Іr.

(9)

З формули (9) видно, що чим більше активний струм Іа, що нагріває діелектрик, тим більше δ і tgδ, а, отже, більші втрати в діелектрику. Таким чином, за значенням tg δ можна кількісно оцінювати втрати в діелектрику. Для гарних по якості діелектриків tg δ < 10^-4.

Оскільки поляризаційні процеси залежать від частоти зовнішнього поля, отже, і втрати й tgδ будуть залежати від частоти. У діелектрику, що перебуває в постійному електричному полі, втрати визначаються тільки струмом наскрізної провідності й легко можуть бути визначені по величині струму Іск і прикладеній напрузі. Оскільки в цьому випадку реактивного струму не існує, параметр tgδ не має змісту. У діелектрику, поміщеному в змінне електричне поле, частотна залежність tg δ має вигляд, зображений на мал. 2.5. Для наочності на ньому представлений фрагмент частотної залежності δ.

tgδ

ε₁

ε₂

f=1/τ

Рис. 2.5. Частотна залежність tg δ

При низьких частотах величина tg δ визначається в основному струмом наскрізної провідності Іск і має деяке значення. Зі збільшенням частоти реактивний ємнісний опір зменшується пропорційно частоті. Тому росте реактивний струм й, отже, tg δ зменшується.

При деякій частоті релаксаційні процеси починають відставати від зміни зовнішнього поля. У результаті з'являється поляризаційний активний струм Іра, що росте пропорційно квадрату частоти. Це приводить до збільшення втрат і росту tgδ. Коли час поляризації τ стає порівнянним з періодом прикладеної напруги, поляризаційні втрати максимальні й tg δ досягає максимуму. При подальшому збільшенні частоти один з релаксаційних видів поляризації, якщо їх багато, перестає встигати випливати за зміною зовнішнього поля. Отже, цей вид поляризації зникає, зменшується ε і tg δ також зменшується.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Види поляризації діелектриків	\|	Експериментальні виміри. Принцип вимірів і роботи приладу

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.