Термін "діелектричні втрати" виник через те, що в ідеальному діелектрику енергія може тільки накопичуватися у вигляді W = e 0 e E 2/2, (на одиницю об'єму, см. (2.1)), але не губитися. У реальному діелектрику частина енергії йде з електричного кола, перетворюючись в інший вид енергії, а саме в теплоту. Є два основні канали перетворення енергії в тепло: втрати за рахунок провідності і поляризаційні втрати.
Втрати за рахунок провідності при постійній напрузі визначимо з відомих виразів. Із закону Ома можна визначити потужність, поглинену речовиною ізоляції P = U 2 / Rізол, а із закону Ома в диференціальній формі (ф-ла (1.23)) випливає, що за рахунок звичайної провідності питомі втрати потужності складуть p = E 2 / r.
Для випадку змінної напруги з'являються додаткові втрати, пов'язані з поляризацією і струмами абсорбції, які прийнято представляти у вигляді:
P = U 2 w Ctg d (2.5)
де d - кут діелектричних втрат. сенс якого можна зрозуміти з векторної діаграми рис.2.5. tg d = Ia / Ic - відношення активного струму до реактивному. В принципі фізичний зміст tg d можна зрозуміти із загальних міркувань. Потужність потерь- це активна потужність, твір активного струму на напругу. Можна піти від відомого кута між струмом і напругою j P = UIcos j. висловивши I через реактивний струм I = Iр / sin j. отримаємо P = U 2 w · C · ctg j. звідки видно що d = p ¤ 2 - j.
Крім цього поняття вводять нове - добротність ізоляцііQ = 1 / tg d, що характеризує кількість періодів, протягом яких в діелектрику поглинається накопичена енергія W = CU 2/2.
У деяких випадках доцільно розглянути питомі діелектричні втрати р = Е 2 w · e · e 0 tg d. (2.6)
Наведемо вирази для tgd для різних схем заміщення діелектрика:
Схема рис.2.1. tg d = 1 / w RC;
Для довідки наведемо значення tg d для кращих сортів деяких діелектриків при частоті 50 Гц.
Трансформаторне масло (Т = 90 ° С) 5 · 10 -3
Газоподібні діелектрики 10 -9
Поліетилен 10 -4
Сегнетокераміки на основі титанату барію 10 -3
Розглянемо причини такої великої різниці в діелектричних втратах. Як вже зазначалося вище, основний внесок в втрати вносять процеси провідності і встановлення поляризації. Провідність визначає втрати під дією постійної напруги і, в меншій мірі, при низьких частотах. У міру підвищення частоти зростає роль поляризаційних втрат. Справа в тому, що поляризація встановлюється не миттєво, а протягом деякого часу, що залежить від типу поляризації. Електронна поляризація в неполярних діелектриках встановлюється за субпікосекундние часи, дипольная поляризація в полярних діелектриках - за наносекундні часи. доменна поляризація в сегнетоелектриках - за мікро- і субмікросекундние часи.
При впливі змінної напруги, період якого багато менше часу встановлення відповідної поляризації, діелектрична проникність, що відповідає цьому виду не встановлюється і втрати, пов'язані з цим малі. Тому в неполярних діелектриках втрати малі, практично на всіх частотах. Якщо період змінної напруги близький до часу встановлення поляризації, то втрати максимальні.
Фізично це можна представити таким чином на прикладі дипольної поляризації. При впливі напруги диполі починають повертатися і орієнтуються уздовж дії електричного поля приблизно до моменту закінчення першого напівперіоду напруги. На наступному напівперіоді вони розгортаються і орієнтуються в новому напрямку приблизно до його закінчення. Це явище за своєю суттю нагадує резонанс. Виходить, що диполі безперервно обертаються, а оскільки все це відбувається в в'язкому середовищі, то енергія руху, що надходить з електричного поля, передається оточуючим молекулам, тобто енергія надходить з джерела витрачається на нагрівання діелектрика. При впливі змінної напруги, період якого багато більше часу встановлення відповідної поляризації, діелектрична проникність, що відповідає цьому виду максимальна і втрати, пов'язані з цим малі.
Розглянемо особливості діелектричних втрат в діелектриках різних видів. Низькі втрати в газоподібних діелектриках обумовлені як малої електропровідністю (див. П.1.2.2.), Так і малої поляризацією, навіть в разі дипольних молекул, оскільки мало кількість молекул в газі і мала в'язкість газу.
Порівняно низькі втрати в поліетилені обумовлені переважно поляризацією молекул і груп молекул поліетилену. При цьому втрати відбуваються, в основному, за рахунок наявності домішок, їх поляризації, руху незаряджених домішок і т.п.
Втрати в рідких діелектриках, типу трансформаторного масла, пов'язані з наявністю слабополярная груп в молекулах (склад масла буде обговорюватися нижче, в гл.3) і наявністю іонних домішок.
В сегнетоелектриках втрати високі в області мегагерцових частот, що обумовлено встановленням доменної поляризації.
У складних діелектриках, для яких характерна наявність абсорбційного струму, максимум втрат спостерігається на частотах, період яких близький до характерного часу спаду струму абсорбції.
Слід зазначити, що діелектричні втрати в будь-яких матеріалах залежать від температури, частоти, вологості, напруженості поля. Частотна залежність втрат є характеристикою матеріалу і визначається для кожного діелектричного матеріалу не тільки властивостями молекул матеріалу, але і наявністю і складом домішок. Як правило, втрати мають максимум при одній або декількох частотах, залежно від типу молекул. Положення максимумів характеризується власними частотами встановлення поляризації. Вони можуть бути пов'язані з поворотом полярних молекул в рідкому діелектрику або з поворотом домену в сегнетоелектриках. Наприклад для діелектрика, відповідного схемою ріс.3б втрати максимальні при частоті w м
1 / t. Досліджено ие частотного поведінки втрат, т.зв. діелектрична спектроскопія дозволяє вивчати структуру речовин.
Температурна залежність втрат зазвичай має монотонний характер, втрати зростають зі зростанням температури, хоча у деяких дипольних діелектриків спостерігаються локальні максимуми, що мають ту ж природу, що і максимуми в частотної залежності.
З ростом вологості втрати також ростуть, найчастіше досить значно. Це пов'язано, як зі збільшенням наскрізної провідності, так і з поляризацією розчиненої і емульгованої води.
Збільшення напруженості поля супроводжується зростанням tg d. що пояснюється зростанням електропровідності. Причини цього будуть детально розглядатися в наступному розділі.