Файл: РМ текст лекций.doc

3.3.4. Релаксационные потери

Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в неполярных, например при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др. Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.

В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Зависимость tgδ от частотыдля релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно легко вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частотеω_д(рис. 3.3.4) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимумаω_д·τ~1, где τ - время релаксации. Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ <<1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ=уменьшаются сростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой3.

рис. 3.3.4

Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температурыЕсли пренебречь потерями сквозной проводимости, то, как и в зависимости tgδ от частоты, в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано на рис.3.3.5. Применительно к полярным жидкостям максимум можно объяснить тем, что начальное возрастание tgδ связано со снижением вязкости, уменьшением сил трения между диполями и, вследствие этого, их более легкой ориентации в электрическом поле, что приводит к росту tgδ. С другой стороны, с увеличением температуры нарастает тепловое хаотическое движение молекул дезориентирующее ориентацию диполей, что и приводит к уменьшению tgδ при достаточно высоких температурах tgδ обусловленный сквозной проводимостью (кривая 2), суммируется с кривой 1, давая кривую 3.

рис. 3.3.5

Зависимость tgδ от напряженияимеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т. д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации - рис. 3.3.6.

рис. 3.3.6

Процесс ионизации пор начинается в точке Аи завершается в точкеВ, после чего кривая несколько снижается из-за того, что поры приобретают большую проводимость и падение напряжения на них становится малым. В процессе ионизации пор часть кислорода переходит в озон О₃и образуются окислы озона, вызывающие разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности частоты конденсатора (эффект “мерцания”).

Зависимость от влажностипроявляется для гигроскопических диэлектриков, материалов волокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых .керамических материалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у таких материалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости, что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.

3.3.5. Диэлектрические потери полимеров

Диэлектрические потери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. В полимерах недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерями сквозной электропроводности, как и в полярных диэлектриках возможны потери на дипольную поляризацию. Диэлектрические потери полярных полимеров определяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Время установления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколько порядков, (поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ от температуры и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимости tgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов, когда у полимера имеются полярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери). При температуре выше температуры стеклования Те у полимеров возможна ориентация крупных блоков макромолекулы сегментов (дипольно-сегментальная поляризация). Дипольно-сегментальная поляризация приводит к появлению высокотемпературного максимума (а). Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткими макромолекулами. Характерная зависимость tgδ от температуры для полимерного диэлектрика с дипольно-групповыми (b, в, у) и дипольно-сегментальными потерями (а) показана на рис. 3.3.7.

рис. 3.3.7

3.3.6. Диэлектрические потери неорганических диэлектриков

Наиболее актуально в настоящее время изучение диэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах главным образом в диапазоне СВЧ. Экспериментальные данные показывают, что на частотах выше 10⁷- 10⁸Гц диэлектрические потери растут монотонно. Наиболее пологая зависимость tgδ у боросиликатного стекла с малым содержанием ионов модификаторов, наиболее резкое изменение tgδ у свинцово-силикатного стекла. Рост tgδ при СВЧ у ситаллов обусловлен релаксационными процессами в кристаллических фазах - рис. 3.3.8.

рис. 3.3.8

В области СВЧ наиболее слабо поглощают лишь чисто кварцевое и боросиликатное стекла. Стеклообразная фаза в керамике или ситалле служит, по мнению М. Д. Машкович, единственной причиной роста tgδ с частотой при СВЧ. Дефекты в кристаллах, например в корунде, могут быть причиной релаксационных потерь, проявляющихся в диапазоне СВЧ при температурах, близких к комнатным. Повышенные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ могут быть даже у высокоглиноземистой керамики.

3.3.7. Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках

Во многих устройствах электроизоляционной, кабельной электронной техники применяемые диэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примером таких диэлектриков является: многослойная бумажная изоляция электрических вводов, кабелей; диэлектрика силовых бумажных конденсаторов; объемно-пористых диэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам. В электрическом поле в таких диэлектриках практически мгновенно устанавливается распределение электрического поля в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости. В переменных полях протекание замедленных абсорбционных процессов поляризации приводит к диэлектрическому поглощению. Неоднородный диэлектрик с проводящими включениями в переменном поле может рассматриваться как диэлектрик, содержащий диполи. В простейшем случае потери неоднородного диэлектрика рассчитываются для двухслойного конденсатора (потери Максвелла-Вагнера). Особенно интенсивно потери такого типа проявляются в керамических материалах гетерогенного типа с зернистой структурой. Существование неоднородностей возможно и в высококачественных изоляционных керамических материалах.

Диэлектрические потери в композиционных диэлектриках можно рассчитать, используя параллельную или последовательную схему замещения диэлектрика. Обозначим через С и b с соответствующими индексами емкость и угол диэлектрических потерь для первого и второго слоя диэлектрика, соединенных параллельно. Можем написать выражение для tgδ такой системы, как отношение суммарной активной мощности системы Ра к суммарной реактивной мощности системы Рс tgδ=Ра/Рс, где Ра=Р1+Р2 и Pc=Pc1+Pc2 (индексы 1 и 2 относятся к 1 и 2 слою диэлектрика). С учетом того, что Pa1=U²ωC1tgδ1, Pa₂=U²ωCstg δ2,Pc1=U²C1, Pc2=U²ωC2, где U— напряжение, одинаковое для каждого слоя, ω — угловая частота переменного напряжения, получим

tgδ=(C1·tgδ1+Cs·tgδb)/(Cl+C2). (3.3.20)

Для последовательной схемы при некоторых упрощающих предположениях можно получить аналогичным путем формулу

tgδs=(C1·tgδ2+C2·tgδ1)/(Cl+C2). (3.3.21)