Діелектричні втрати у твердих діелектриках

У зв'язку з тим, що тверді речовини мають різноманітний склад і будову, у них можливі всі види діелектричних втрат.

Діелектричні втрати в діелектриках молекулярної структури залежать від виду молекул. Діелектрики з неполярними молекулами і які не мають домі-шок, мають мізерно малі діелектричні втрати. До таких діелектриків відно-сяться поліетилен, полістирол, політетрафторетилен (фторопласт – 4), церезин та ін. Вказані діелектрики в зв'язку з малими втратами доцільно використову-вати при високих частотах.

Діелектрики з полярними молекулами, для яких характерна діпольно - релаксаційна поляризація, мають великі втрати, що істотно залежать від темпе-ратури. До них відносяться: поліметилметакрилат (органічне скло), папір, кар-тон, поліаміди (капрон та ін.), поліуретан, бакеліт, каучукові матеріали й ін. Крива залежності від температури для паперу показана на рис.3.6.

0,02

10кгц

0,01 1кгц

0 Т

-40 0 40 80 ^оС

Рис.3.6 - Залежність для паперу

Зростання після переходу через мінімум пов"язано зі збільшенням втрат від електропровідності.

Діелектричні втрати у твердих речовинах з іонною структурою залежать від особливостей розташування іонів у гратках. У речовинах з кристалічною структурою з щільним упакуванням іонів діелектричні втрати при відсутності домішок незначні. Наявність домішок, які приводять до зміни кристалічних граток, призводить до різкого збільшення діелектричних втрат. При високих температурах у цих діелектриках з'являються втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Ці речовини знайшли широке застосування при вироб-ництві електротехнічної кераміки, наприклад, корунду (Al₂O₃).

Для кристалічних діелектриків з нещільним упакуванням іонів характерна релаксаційна поляризація, що викликає збільшення діелектричних втрат. При підвищенні температури число іонів, які беруть участь у релаксаційній поля-ризації, постійно зростає, внаслідок чого в залежності відсутній макси-мум. Застосовуються ці матеріали в основному при виробництві ізоляторного фарфору, вогнестійкої кераміки. Прикладом таких речовин служать циркон (компонент вогнестійкої кераміки), муліт (компонент ізоляторного фарфору), - глинозем та ін.

Діелектричні втрати в аморфних речовинах з іонною структурою мають характерні риси. Прикладом їх є неорганічні стекла. Внаслідок локальних неоднорідностей структури скла релаксаційні втрати характеризуються широким набором часу релаксації. Це приводить до розширення і деякого згладжування максимумів у температурній і частотній залежності тангенса кута діелектричних утрат. На величину діелектричних втрат у даних речовинах істотно впливають будь-які порушення структури (відпал, загартування, введення добавок і т.д.). Крім втрат, обумовлених поляризацією, у стеклах можуть виникати втрати, пов'язані з електропровідністю, що викликається пересуванням слабкосвязанних іонів. Виявляються вони, як правило, при температурах 50-100 ^оС.

Діелектричні втрати в сегнетоелектриках вище, ніж у звичайних діелек-триках. Вони мало змінюються при зміні температури в області мимовільної поляризації і різко зменшуються при температурі вище точки Кюрі, коли мимовільна поляризація зникає.

До твердих речовин неоднорідної структури належать матеріали, до складу яких входить не менше двох компонентів. Характерним представником таких діелектриків є кераміка. У складі кераміки розрізняють кристалічну, склоподібну і газову фази. Кількісне співвідношення між кристалічною і склоподібною фазами фактично і визначає діелектричні втрати в кераміці. Наявність газової фази призводить до збільшення діелектричних втрат у кера-міці, коли при високих напруженостях поля виникає іонізація.

Діелектричні втрати в просоченому папері залежать від електричних властивостей її компонентів (волокон целюлози і складу, що просочує), а також від наявності повітряних включень. Залежність від температури для паперу, просоченого маслоканіфольним компаундом, наведена на рис.3.7.

Перший максимум при негативних температурах пов'язаний з діпольно-релаксаційними втратами в целюлозі, а другий – з діпольно-релаксаційними втратами в компаунді, що просочує.

До неоднорідних діелектриків відносяться також широко застосовувані в електроізоляційній техніці різні пластмаси з наповнювачами, слюдяні вироби (міканіти, мікалекси), каучукові вироби з наповнювачами і т.д.

0,01

0,008

0,006

0,004

0,002

Т

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 ⁰С

Рис.3.7 – Залежність від температури для папера, просоченого

маслоканіфольним компаундом

Розглянемо зміну активних втрат у діелектрику від зовнішніх факторів на конкретному прикладі.

Задача. При кімнатній температурі тангенс кута діелектричних втрат ультра-фарфору , при зростанні температури до 100 ⁰С він збільшується в два рази. Чому дорівнює цього матеріалу при температурі 200 ⁰С?. У скіль-ки разів збільшиться активна потужність, що виділяється у високочастотному прохідному ізоляторі з цього матеріалу, при зміні температури від 20 до 200 ^оС? Зміною діелектричної проникності кераміки можна знехтувати.

Втрати в ультрафарфорі обумовлені наскрізною електропровідністю, тому тангенс кута діелектричних утрат збільшується з температурою за експонентним законом

,

де ₀ – значення при Т₀=20 ⁰С; - температурний коефіцієнт , що може бути знайдений з виразу

.

Тоді ₂₀₀ = 2,38*10^-3.

У зв'язку з тим, що активна потужність в ізоляторі Р_а росте з температурою пропорційно , запишемо

Література: [1 с.43 –57.]

Контрольні запитання:

1.Опишіть процеси, що обумовлюють діелектричні втрати в діелектриках.

2.Перелічіть параметри, що характеризують діелектричні втрати в мате-

ріалах.

3.Наведіть схеми заміщення діелектрика з втратами, вкажіть умови їхньої еквівалентності. Побудуйте векторні діаграми для кожної схеми.

4. Опишіть види діелектричних втрат, дайте їм коротку характеристику.

5. Вкажіть фактори, що впливають на величину діелектричних втрат.

6. Дайте характеристику діелектричних втрат у газах.

7.Дайте характеристику діелектричних втрат у рідких діелектриках.

8. Дайте характеристику діелектричних втрат у твердих діелектриках.

Дата добавления: 2014-11-09