Потери в диэлектриках.

Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в  связи с этим будет мал, особенно при высоких частотах. Величина tgd может быть вычислена по формуле (1.24).

Удельное объемное сопротивление  газов - порядка 10¹⁶ Ом×м, e » 1 и tgd при f = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 4×10^-8. При высоких U и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторые критические значения, молекулы газа ионизируется, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. При U₀ начинается ионизация газа в порах и tgd заметно возрастает. При U₁, когда газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации не затрачивается, tgd уменьшается.

Кривую tgd = f (U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что явление может повести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U₀.

Возникновение ионизации  газа, заполняющего закрытые поры в  твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация  воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что  вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

На линиях электропередачи  высокого U потери на изоляцию воздуха  у поверхности проводов (явление  короны) снижают КПД линии.

1.3.6 Диэлектрические потери  в жидкостях

В неполярных жидкостях диэлектрические  потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных частот жидкостей чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого очень мал и может быть рассчитан по формуле:  , где f - в Гц и r - в Ом× м.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью.

Применяемые в технике  жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).

У жидких диэлектриков с полярными  молекулами заметно проявляется  зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких  жидкостей при комнатной температуре 10^-10 - 10^-11См× м^-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери и называют дипольно-релаксационными. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации.

Потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда  же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Р_а становятся постоянными в соответствии с формулой: _Pa=U₂wCtg d, где Р_а - Вт, U - в В, w - в с^-1, С - фарадах.

Таким образом, характер зависимости диэлектрических потерь Р_а от частоты не соответствует характеру частотной зависимости tgd .

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения e и tgdдля неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц.

Как видно, tgd диэлектрических потерь неполярной жидкости - трансформаторного масла значительно меньше, чем полярной жидкости - совола.

1.3.7 Диэлектрические потери  в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в  твердых диэлектриках необходимо рассматривать  в связи с их структурой. Твердые  вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды диэлектрических потерь. Их можно подразделить на четыре группы:

1. диэлектрики молекулярной структуры;
2. диэлектрики ионной структуры;
3. диэлектрики сегнетоэлектрики;
4. диэлектрики неоднородной структуры.

Рассмотрим диэлектрики первой группы, т.е. молекулярной структуры. Эти потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные примеси - полиэтен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Указанные вещества, в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (картон и др.)и полиуританы, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) - и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаруживаются max или min потерь; возрастание потерь после min объясняется увеличением потерь сквозной электропроводности. Такую зависимость можно отобразить в виде графика, в частном случае для бумаги.

Диэлектрики ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамике, например, корунд (Al₂O₃), входящий в состав ультрафарфора. Примером такого соединения является каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2 -3 порядка) увеличивают диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в  аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и наличием электропроводности. Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:

а) потери, мало зависящие  от температуры и возрастающие прямо  пропорционально частоте (tgd не зависит от частоты);

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tgd уменьшается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обуславливаются  релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры стекла. Термическая обработка - отжиг или закалка - заметно влияют на угол диэлектрических потерь из-за нарушения внутренней структуры.

Таблица 1.2 
Влияние термической обработки на tgd потерь стекол при 20° С и f = 1 МГц.

В таблице 1.2 показана зависимость tgd потерь некоторых стекол от способа их термической обработки. Потери второго вида вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери проявляются обычно при t выше 50-100° С.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетодиэлектриков является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с t в области самопроизвольной поляризации и редко падают при t выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает.

Диэлектрические потери в твердых  веществах неоднородной структуры, к ним относятся неоднородные диэлектрики, т.е. керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В его составе различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах). Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фазы и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при U поля вследствие развития ионизации.

В современной электроизоляционной  технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием ценных отходов (слюдяные материалы).