Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Декабря 2012 в 19:14, реферат
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике.
1.3. Потери в диэлектриках.
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При переменном напряжении необходимо использовать какую-то другую характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь, а также tg этого угла.
Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз j между I и U в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика I в такой цепи будет опережать вектор U на 90° , при этом угол d будет равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tg j .
Природа диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от агрегатного состояния вещества.
Диэлектрические потери могут обуславливаться сквозным током или активными составляющими поляризационных токов. При изучении диэлектрических потерь, непосредственно связанных с поляризацией диэлектрика, можно изобразить это явление в виде кривых, представляющих зависимость электрического заряда на обкладках конденсатора с данным диэлектриком от приложенного к конденсатору напряжения. При отсутствии потерь, вызываемых явлением поляризации, заряд линейно зависит от напряжения и такой диэлектрик называется линейным (рис.1.1,а).
Рис.1.1. Зависимость заряда от напряжения
для линейного диэлектрика без
потерь (а), с потерями (б).
Если в линейном диэлектрике
имеет место замедленная
Площадь этого эллипса пропорциональна количеству энергии, которая поглощается диэлектриком за один период изменения U.
В случае нелинейного диэлектрика - сегнетоэлектрика, кривая зависимости заряда от напряжения приобретает вид петли такого же характера, как петля гистерезиса из магнитных материалов. В этом случае площадь петли пропорциональна потерям энергии за один период.
В технических
Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, находящемуся в цепи переменного U. Последовательная и параллельная схема представлены на рис.1.2, там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений.
Рис.1.2. Векторные диаграммы и
эквивалентные схемы
Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений z1 = z2 = z равны их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения j равны и значения активной мощности одинаковы.
Из теории переменных I известно, что:
. (1.14)
Выразим P для последовательной и параллельной схемы через Cs и Cp и угол d , который является дополнением угла j до 90° .
Для последовательной схемы (рис1.1,а), используя выражения Pa и соответствующую диаграмму имеем:
и (1.15)
tg d = wCsr . (1.16)
Для параллельной схемы (рис.1.1,б):
, (1.17)
. (1.18)
Приравнивая друг другу выражения, находим соотношения между Cp и Cs и между r и R:
, . (1.19)
Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2d по сравнению с единицей в формуле и рассчитав Cp » Cs » C Выражение для Р, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут одинаковы для обеих схем:
Pa=U2wCtg d, (1.20)
где Ра измеряется в Вт, U - в В, w - в с-1, С - в фарадах.
R в параллельной схеме, как следует из
выражения
, во много раз больше r.
Выражение для удельных диэлектрических
потерь, т.е. Р, рассматриваемой в единице
объема диэлектрика, имеет вид:
, (1.21)
где p - удельные потери, Вт/м3;
w - 2p f - угловая частота, с-1;
Е - напряженность электрического поля,
В/м.
Действительно, емкость между противоположными гранями куба со стороной 1 м будет С1 = e 0e , реактивная составляющая удельной проводимости:
; (1.22)
а активная составляющая . (1.23)
Следует отметить, что емкость диэлектрика
с большими потерями становится совершенно
условной величиной, зависящей от выбора
той или иной эквивалентной схемы.
Отсюда и диэлектрическая
Рассматривая формулы и можно видеть, что диэлектрические потери приобретают серьезное значение для материалов, используемых в установках высокого U, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику U и частоте поля. Материалы, предназначаемые для применения в указанных условиях, должны отличаться малым значением угла потерь и диэлектрической проницаемостью, т.к. в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может стать недопустимо большой.
Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:
Рассмотрим каждый вид диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.
1.3.1. Релаксационные
Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика. В температурной зависимости tg угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается max при некоторой t° , характерной для данного вещества. При этой t° время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного I. Если t°такова, что время релаксации частиц значительно больше полупериода изменения приложенного переменного U, то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если t°такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения U, то интенсивность теплового движения будет больше, связь между частицами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.
Диэлектрические потери, наблюдаемые
в сегнетоэлектриках связаны
с явлением спонтаннойполяризац
К диэлектрическим потерям,
обусловленным поляризацией, следует
отнести так называемыерезонанс
1.3.2. Диэлектрические потери,
обусловленные сквозной
Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Тангенс угла диэлектрических потерь в этом случае может быть вычислен по формуле:
, (1.24)
где f - в Гц и r - в Ом× м.
Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону.
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, возрастают с t по экспоненциальному закону: , где А, - постоянные материала, или в соответствии с приближенным выражением: , где Pt - потери при температуре t° С, Р0 - потери при температуре 0° С, d - постоянная материала, tgd в зависимости от температуры изменяется по тому же закону, который использован для аппроксимации температурной зависимости Р, т.к. температурным изменением емкости можно пренебречь.
1.3.3. Ионизационные диэлектрические потери.
Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Ионизационные потери проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значения, соответствующие началу ионизации данного газа. Ионизационные потери могут быть вычислены по формуле: , где А1 - постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, U0 - напряжение, соответствующее началу ионизации.
Формула справедлива при U > U0 и линейной зависимости tgd от Е. Ионизационное U0 зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина U0 возрастает.
1.3.4. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.
Диэлектрические потери, обусловленные
неоднородностью структуры
Таблица 1.1
Классификация потерь в диэлектриках.
Диэлектрические |
Главные особенности |
Виды диэлектриков |
1. Обусловленные |
||
релаксационные (дипольные и ионные) |
Наличие max tg угла потерь, зависящие от температуры и частоты. |
Дипольные жидкие и твердые диэлектрики, ионные с неплотной упаковкой. |
резонансные |
Наличие резко Выраженного max при Некоторой частоте (выше 1015 Гц), положение которого не зависит от температуры. |
Все виды диэлектриков. |
Спонтанной поляризации |
Велики: выше точки Кюри наблюдается резкое уменьшение. |
Сегнето-электрики. |
2. Обусловленные электро- |
Независимость потерь от частоты (tg угла потерь с частотой снижается по геперболе) и заметное возрастание с t. |
Жидкие и твердые диэлектрики |
3. Ионизационные. |
Наблюдаются при U выше ионизации. |
Газообразные и твердые диэлектрики с газообразными включениями. |
1. ОбусловленныеНеоднородность |
Сложная зависимость потерь от компонентов, входящих в состав диэлектрика и случайных примесей. |
Неоднородные диэлектрики. |
1.3.5. Диэлектрические потери в газах.
Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимо для развития ударной ионизации молекул газа, очень мала. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, т.к. ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.