Діелектричними втратами називають енергію, що розсіюється в одиницю часу в діелектрику при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика.
Діелектричні втрати в діелектрику можна характеризувати розсіюється потужністю, яка визначається за формулою
P = U 2 · # 969; C · tg # 948 ;,
де # 969; - кутова частота (# 969; = 2πf); C - ємність діелектрика; U - напруга, що прикладається до діелектрика; tg # 948; - тангенс кута діелектричних втрат.
На рис.4 наведена схема заміщення і векторна діаграма діелектрика з втратами. Кутом діелектричних втрат називають кут, що доповнює до 90о кут зсуву фаз # 966; між струмом і напругою в ємнісний ланцюга.
Мал. 4. Схема заміщення а) і векторна діаграма б) діелектрика
Види діелектричних втрат. Діелектричні втрати по їх особливостям і фізичну природу можна поділити на чотири основних види:
1) втрати, зумовлені поляризацією;
2) втрати, зумовлені наскрізний електропровідністю;
3) іонізаційні втрати;
4) втрати, зумовлені неоднорідністю структури.
Діелектричні втрати, зумовлені поляризацією. З усіх видів поляризації з втратами найбільш часто в діелектриках зустрічаються дипольная і іонно-релаксаційна. У них є спільні закономірності:
а) tg # 948; при певній частоті f1 має максимум;
б) у tg # 948; спостерігається також максимум при деякій температурі t1, характерною для даного діелектрика.
У схемі заміщення ці види втрат добре описуються ланцюжком з ємності C і опору r (рис. 4, a).
Діелектричні втрати, зумовлені наскрізний електропровідністю, всхеме заміщення добре описуються опором R
(Рис. 4, a). Вони не залежать від частоти:
Так як опір R залежить від температури, то і втрати від неї також залежать. Вони зростають з температурою по експонентному закону:
де A і b - постійні матеріалу.
тангенс # 948; в цьому випадку може бути обчислений за формулою
де f - частота напруги, Гц; # 961; - питомий опір, ;
Іонізаційні діелектричні втрати. Ці втрати властиві газоподібним діелектриків. Вони з'являються, якщо напруга, прикладена до діелектрика, перевищить критичне значення Uкр. при якому починаються іонізаційні процеси. До напруги Uкр діелектричні втрати практично дорівнюють нулю, а потім вони різко збільшуються, і їх можна оцінити за наближеною формулою
де A - постійний коефіцієнт, f - частота поля.
Іонізаційні втрати виникають також в рідких і твердих діелектриках в газових бульбашках і включених.
Діелектричні втрати, зумовлені неоднорідністю структури. Вони спостерігаються в шаруватих діелектриках: папері, просоченої маслом, в пористої кераміки, текстоліті, стеклотекстолите і т. Д. З огляду на розмаїття структури неоднорідних діелектриків загальної формули розрахунку діелектричних втрат не існує.
Діелектричні втрати в газах. Діелектричні втрати в газах при напряженностях поля, що лежать нижче значення, необхідного для розвитку ударної іонізації молекул газу, дуже малі. У цьому випадку газ можна практично розглядати як ідеальний діелектрик. Джерелом діелектричних втрат газу може бути тільки електропровідність, так як орієнтація дипольних молекул газів при їх поляризації через великі відстані між молекулами не супроводжується діелектричними втратами.
Але так як у газів електропровідність дуже мала, то кут діелектричних втрат мізерно малий. Величину tg # 948; можна визначити за формулою (1). Для газу tg # 948; ≈ 4 · 10 -8.
При напряженностях поля більше Eкр в газі починається іонізація, і втрати різко зростають.
Діелектричні втрати в рідких діелектриках. Серед рідких діелектриків слід окремо розглядати неполярні і полярні.
У неполярних рідинах діелектричні втрати обумовлені тільки електропровідністю. У чистих рідких діелектриків електропровідність мала, тому малі і діелектричні втрати. Можна розрахувати tg # 948; за формулою (1). Наприклад, для нафтового конденсаторного масла отримаємо tg # 948; ≈ 0,001. Діелектричні втрати у неполярних діелектриків залежать від температури, так як зі збільшенням температури зменшується питомий опір рідкого діелектрика. У неполярного діелектрика tg # 948; з ростом частоти зменшується. А діелектричні втрати не залежать від частоти.
У полярних рідинах втрати обумовлені двома причинами:
а) електропровідністю; б) дипольної поляризацією.
Втрати, спричинені електропровідністю, залежать тільки від температури. Для дипольної поляризації tg # 948; має максимум при деякій температурі t1. Якщо тепер врахувати обидва види втрат і підсумувати обидві залежності, то отримаємо графік, показаний на рис.5, а. Вплив частоти f на tg # 948; і розсіюється потужність показано на рис.5, б
Рис.5. Впливу температури а) і частоти б) на втрати в полярному
Діелектричні втрати в твердих діелектриках. У твердих діелектриках можливі всі види поляризації і втрат. Для з'ясування загальних закономірностей тверді діелектрики ділять на наступні групи.
1. Діелектрики молекулярної структури:
а) неполярні, б) полярні.
2. Діелектрики іонної структури:
а) щільною упаковки, б) нещільної упаковки.
4. Діелектрики неоднорідну структуру.
Неполярні діелектрики мають мізерно малими діелектричними втратами, і їх застосовують в якості високочастотних діелектриків. тангенс # 948; для них можна розрахувати за формулою (1). Діелектричні втрати у неполярних діелектриків не залежить від частоти. При збільшенні температури зменшується питомий опір діелектрика, а це призводить до збільшення тангенса діелектричних втрат.
Зміна tg # 948; від температури і частоти в полярних діелектриках
таке ж, як і для рідкого полярного діелектрика.
Втвёрдих речовинах іонної структури з щільною упаковкою іонів тільки два види поляризації: електронна та іонна. У цих діелектриках діелектричні втрати дуже малі. При підвищених температурах в таких речовинах збільшуються втрати від наскрізної електропровідності. З ростом частоти tg # 948; зменшується, як і у неполярних діелектриків, так як активний струм залишається постійним, а реактивний збільшується.
У твердих речовинах іонної структури з нещільної упаковкою іонів має місце значна іонно-релаксаційна поляризація, тому спостерігаються закономірності зміни tg # 948; від температури і частоти, характерні для дипольної поляризації.
Тут два види втрат:
а) втрати, викликані пересуванням слабосвязанних іонів. Вони розглядаються як втрати, зумовлені електропровідністю, що зростають із температурою і майже не залежать від частоти (tg # 948; зменшується з ростом частоти);
б) втрати, викликані релаксационной поляризацією, у яких tg # 948; залежить від температури і частоти.
Для більшості видів електрокераміки кількість іонів, що беруть участь в релаксаційної поляризації, безперервно зростає з температурою, тому максимум tg # 948; відсутня і температурна залежність tg # 948; подібно неполярних діелектриків в першому наближенні має експонентний характер.
Особливістю сегнетоелектриків є те, що в них мимовільна (спонтанна) поляризація проявляється в певному температурному інтервалі, аж до точки Кюрі. Діелектричні втрати в сегнетоелектриках мало змінюються з температурою в області спонтанної поляризації і різко падають при температурі вище точки Кюрі, коли доменна структура руйнується.
Залежно tg # 948; від температури і частоти в діелектриках неоднорідної структури дуже складні і визначаються як суми залежностей складових.