ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

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

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном напря­жении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается

сквозной ток, обусловленный проводимо­стью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется, как указыва­лось выше, значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При пере­менном напряжении необходимо использо­вать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозного тока, возникают дополнитель­ные причины, вызывающие потери в диэлектрике.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями; чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также тангенсом этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига ср между током и напряжением в емкост­ной цепи. Для идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи будет опережать вектор напряжения на 90°, при этом угол диэлек­трических потерь б будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая п диэлектрике мощность, переходящая в теплоту, тем меньше угол фазового сдвига ф и тем больше угол б и его функция tg б.

Недопустимо большие диэлектрические потери в электроизо­ляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению. Даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, недостаточно велико для того, чтобы за счет диэлектрических потерь мог произойти недопустимый перегрев, то и в этом случае большие диэлектрические потери могут принести существенный вред, увеличивая, например, активное сопротивление колебательного контура, в котором исполь­зован данный диэлектрик, а следовательно, и величину затухания. Природа диэлектрических потерь б электроизоляционных мате­риалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества. Диэлектрические потери могут обусловливаться сквозным током или, как указывалось при рассмотрении явления поляризации, активными составляющими токов смещения. При изучении диэлек­трических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно характеризовать это явление поляризации кри­выми, представляющими зависимость электрического заряда на электродах конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения (рис. 3-1). При отсутствии потерь, вы­зываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напря­жения (рис. 3-1, а) и такой диэлектрик называется линейным. Если в линейном диэлектрике наблюдается замедленная, поляризация, связанная с потерями энергии, то кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид эллипса (рис. 3-1, б). Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения напряжения.

В технических электроизоляционных материалах, помимо по­терь от сквозной электропроводности и потерь от замедленной поля­ризации, возникают диэлектрические потери, которые сильно влияют на электрические свойства диэлектриков. Эти потери вызываются наличием изолированных друг от друга посторонних проводящих или полупроводящих включений углерода, оксидов железа; они зна­чительны даже при малом содержании таких примесей в электроизо­ляционном материале.

При высоких напряжениях потери в диэлектрике возникают вследствие ионизации газовых включений внутри диэлектрика, особенно интенсивно происходящей при высоких частотах.

Следует отметить, что емкость диэлектрика с большими потерями становится совершенно условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая про­ницаемость материала с большими потерями при переменном напря­жении также условна. Угол диэлектрических потерь от выбора схемы не зависит.

В качестве примера в табл. 3-1 приведены значения ег для не­которых материалов, имеющих высокое значение tg 6.

Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и тр или С8 и г5), в общем случае нельзя считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими данными для расчета угла потерь при другой частоте. Такой расчет может быть сделан только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно для данного диэлектрика, что потери в нем определя­ются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне: где С и гр — постоянные емкость и сопротивление, измеренные при данной частоте.

В большинстве случаев потери в конденсаторе не могут быть полностью объяснены ни первым, ни вторым из вышеприведенных факторов, и тогда необходимо определять параметры конденсатора именно при той частоте, при которой он будет использоваться.

Рассматривая формулы (3-8) и (3-9), можно видеть, что диэлектри­ческие потери приобретают серьезное значение для материалов, ис­пользуемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устрой­ствах,/ поскольку диэлектрические потери пропорциональны квад­рату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Материалы, предназначаемые для применения в указанных усло­виях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлек­трической проницаемости, так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может стать недопустимо большой.