Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В нейтральных жидкостях, не содержащих примесей с дипольными молекулами, диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. А поскольку электропроводность нейтральных чистых жидкостей чрезвычайно мала, то низки и их диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого при комнатной температуре и рабочей частоте 10⁶ Гц составляет всего 0,0004—0,0008.

Полярные жидкости в определенных температурных и частотных условиях могут обладать заметными потерями, обусловленными не только электропроводностью, но и дипольно-релаксационной поляризацией.

В вязких жидкостях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, дипольно-релаксационные потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью.

У маловязких жидкостей при низких частотах дипольно-релаксационные потери незначительны и могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже при малой вязкости велики и преобладают над потерями электропроводности.

2.3.5. Диэлектрические потери в твердых диэлектрических материалах.

Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением, по этому в них возможны все виды диэлектрических потерь.

В веществах молекулярной структуры диэлектрические потери зависят от вида молекул. В веществах, состоящих из неполярных молекул и не имеющих примесей, диэлектрические потери ничтожно малы. К таким диэлектрикам относятся сера, парафин, неполярные полимеры – полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Малые потери у названных веществ делают их применимыми в качестве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат, в частности, материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры (полиметилметакрилат - органическое стекло), полиамиды (капрон и др.), каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.). Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями, особенно при радиочастотах.

Диэлектрические потери в этих диэлектриках связаны с температурой; при некоторых температурах обнаруживаются максимум и минимум потерь и дальнейшее возрастание потерь после минимума, вызванное сквозной электропроводностью.

С увеличением частоты напряжения, воздействующего на диэлектрик, температурный максимум потерь смещается в область более высоких температур. Соответственно этому и частотный максимум tgd наблюдается при более высоких частотах, если рабочая температура диэлектрика повышается.

Максимальные диэлектрические потери наблюдаются при температурах, соответствующих росту степени поляризации диэлектрика, а в частотной зависимости максимальное значение tgd наблюдается на участке релаксационного спада диэлектрической проницаемости.

В веществах кристаллической структуры диэлектрические потери связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. Так, при плотной упаковке ионов и отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. С повышением температуры в этих веществах обнаруживаются потери сквозной электропроводности. Сказанное относится к многочисленным кристаллическим неорганическим соединениям, широко используемым в современном производстве электротехнической керамики, например к корунду, входящему в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чьи чистые кристаллы обладают ничтожными потерями. Но уже малейшие примеси, искажающие ее решетку, резко увеличивают диэлектрические потери.

Для диэлектриков кристаллической структуры с неплотной упаковкой ионов характерна ионно-релаксационная поляризация, вызывающая повышенные диэлектрические потери. Многие из веществ с такой структурой входят в составы керамических материалов: изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

В неорганических стеклах диэлектрические потери связаны с явлением ионно-релаксационной поляризации и наличием электропроводности.

Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально росту частоты (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 обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов заметно увеличивает диэлектрические потери, так как нарушает внутреннюю структуру стекла и вызывает появление слабо связанных ионов.

Потери второго вида вызываются передвижениями слабо связанных ионов и должны рассматриваться как потери сквозной электропроводности. Такие потери проявляются обычно при температурах выше 50—100° С.

В веществах неоднородной структуры диэлектрические потери зависят от свойств и количественного соотношения компонентов.

К твердым веществам этого типа, используемым в технике в качестве диэлектриков, относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, механически смешанных между собой.

К неоднородным диэлектрикам относится прежде всего, керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную фазу и газовую фазу (газы в закрытых порах).

Диэлектрические потери в керамике зависят от характера и количественного соотношения кристаллической и стекловидной фаз. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при высоких напряженностях поля вследствие развития ионизации. Потери бывают высокими также в том случае, если в процессе производства в керамическом изделии образуются полупроводящие включения с электронной электропроводностью. Такое же увеличение потерь в керамике вызывается адсорбированной влагой при наличии открытой пористости.

К числу неоднородных материалов следует отнести и слюду, обладающую слоистой структурой. Наличие полупроводящих прослоек воды в слюде вызывает увеличение tgd при переменном напряжении низкой частоты.

К диэлектрикам с неоднородной структурой следует отнести также пропитанную бумагу. Такая бумага содержит помимо волокон целлюлозы еще и пропитывающее вещество того или другого состава. Диэлектрические потери пропитанной бумаги определяются электрическими свойствами обоих компонентов и их количественным соотношением.

К неоднородным диэлектрикам, применяемым в радиоэлектронике, относятся пластические массы с различными наполнителями, слоистые пластмассы, каучуковые материалы с наполнителями, пористая изоляция, содержащая воздух и примеси влаги.

В сегнетоэлектриках диэлектрические потери связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому при температурах ниже точки Кюри, когда возникает спонтанная поляризация, потери в сегнетоэлектриках значительны. Они возрастают с частотой приложенного напряжения. При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках заметно ниже. Старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым изменением потерь.

Дата добавления: 2014-01-20