Діелектричними втратами називають енергію, що розсіюється в одиницю часу е діелектрику при впливі на нього електричного поля і викликає нагрівання діелектрика. При постійній напрузі втрати енергії визначаються тільки силою наскрізного струму, обумовленого об'ємної та поверхневої провідності. При змінній напрузі до цих втрат додаються втрати, зумовлені різного виду поляризациями, а також наявністю напівпровідникових домішок, оксидів заліза, вуглецю, газових включень і т. П.
Розглядаючи найпростіший діелектрик, можна записати вираз розсіюється в ньому під впливом змінного напруги потужності:
де U - прикладена до діелектрика напруга, I а - активна складова струму, що протікає через діелектрик.
Схему заміщення діелектрика зазвичай представляють у вигляді послідовно з'єднаних конденсатора і активного опору. З векторної діаграми (див. Рис. 1):
де # 948; - кут між вектором повного струму I і його ємнісної складової Ic.
Pa = U · Ic · tg # 948 ;.
де - ємність конденсатора (даного діелектрика) при кутовий частоті # 969 ;.
В результаті розсіюється в діелектрику потужність дорівнює
Pa = U 2 · # 969; · C · tg # 948 ;.
тобто втрати енергії, що розсіюється в діелектрику, пропорційні тангенсу кута # 948 ;. який називається кутом діелектричних втрат або просто кутом втрат. цей кут # 948; до характеризує якість діелектрика. Чий менше кут д іелектріческіх втрат # 948 ;. тим вище діелектричні властивості ізоляційного матеріалу.
Мал. 1. Векторна діаграма струмів в діелектрику, що знаходиться під напругою змінного струму.
Введення поняття кута # 948; зручно для практики тим, що замість абсолютного значення діелектричних втрат розглядається відносне значення, що дозволяє порівняти між собою ізоляційні вироби з різними за якістю діелектриками.
Діелектричні втрати в газах
Діелектричні втрати в газах малі. Гази мають дуже малу електропровідність. Орієнтація дипольних молекул газу при їх поляризації не супроводжується діелектричними втратами. Залежність tg # 948; = F (U) називають кривою іонізації (рис. 2).
Мал. 2. Зміна tg # 948; в залежності від напруги для ізоляції з повітряними включеннями
За зростанням tg # 948; зі збільшенням напруги можна судити про наявність газових включень у твердій ізоляції. При значних іонізації і втрати в газі може статися розігрів і руйнування ізоляції. Тому ізоляцію обмоток високовольтних електричних машин для видалення газових включень при виготовленні піддають спеціальній обробці - сушінні під вакуумом, заповнення пір ізоляції розігрітим компаундом під тиском, обкатці до пресуванні.
Іонізація повітряних включень супроводжується утворенням озону і оксидів азоту, руйнівно діють на органічну ізоляцію. Іонізація повітря в нерівномірних полях, наприклад в лініях електропередач, супроводжується видимим світловим афекту (короною) і значними втратами, що знижує к. П. Д. Передачі.
Діелектричні втрати в рідких діелектриках
Діелектричні втрати в рідинах залежать від їх складу. У нейтральних (неполярних) рідинах без домішок електропровідність дуже мала, тому в них малі і діелектричні втрати. Наприклад, очищене конденсаторне масло має tg # 948; 6 Гц і температурі 20 о С (293 К) дорівнює 0,01.
Діелектричні втрати полярних рідин залежать від в'язкості. Ці втрати називають дипольними, так як вони обумовлені дипольної поляризацією.
При малої в'язкості молекули орієнтуються під дією поля без тертя, дипольні втрати при цьому малі, а загальні діелектричні втрати обумовлені тільки електропровідністю. Зі збільшенням в'язкості дипольні втрати зростають. При деякій в'язкості настає максимум втрат.
Це пояснюється тим, що при досить великий в'язкості молекули не встигають слідувати за зміною поля і дипольная поляризація практично зникає. Діелектричні втрати при цьому малі. При підвищенні частоти максимум втрат зміщується в область більш високої температури.
Залежність втрат від температури носить складний характер: tg # 948; збільшується зі зростанням температури, досягає свого максимуму, потім зменшується до мінімуму, після чого знову зростає, це пояснюється зростанням електропровідності. Дипольні втрати зростають зі збільшенням частоти до тих пір, поки поляризація встигає слідувати за зміною поля, після чого дипольні молекули вже не встигають повністю орієнтуватися в напрямку поля і втрати стають постійними.
У маловязких рідинах при низьких частотах переважають втрати наскрізної провідності, а втрати дипольні незначні, при радіочастотах, навпаки, дипольні втрати великі. Тому дипольні діелектрики не використовуються в полях високої частоти.
Діелектричні втрати в твердих діелектриках
Діелектричні втрати в твердих діелектриках залежать від структури (кристалічної або аморфної), складу (органічного або неорганічного) і характеру поляризації. В таких твердих нейтральних діелектриках, як сірка, парафін, полістирол, що володіють тільки електронної поляризацією діелектричні втрати відсутні. Втрати можуть бути обумовлені тільки домішками. Тому такі матеріали знаходять застосування в якості високочастотних діелектриків.
Неорганічні матеріали, такі, як монокристали кам'яної солі, Сільвіна, кварцу, чистої слюди, що володіють електронної та іонної поляризациями, мають малі діелектричні втрати, зумовлені лише наскрізний електропровідністю. Діелектричні втрати в цих кристалах не залежить від частоти, a tg # 948; зменшується з ростом частоти. Зі збільшенням температури втрати і tgft змінюються так само, як і електропровідність, зростаючи за законом експоненційної функції.
У неорганічних полікристалічних діелектриків (мармур, кераміка і т. П.) Виникають додаткові діелектричні втрати, викликані наявністю полупроводящіх домішок: вологи, оксидів заліза, вуглецю, газу і т. П. Втрати в напівкристалічних тілах можуть мати різні значення навіть для одного і того ж матеріалу, оскільки властивості матеріалу змінюються під впливом умов навколишнього середовища.
Діелектричні втрати в органічних полярних діелектриках (деревина, ефіри целюлози, натуральний клац, синтетичні смоли) обумовлені структурної поляризацією за рахунок нещільної упаковки частинок. Ці втрати залежать від температури, маючи максимум при певній температурі, а також від частоти, збільшуючись з її ростом. Тому згадані діелектрики не застосовують під полях високих частот.
Характерно, що залежність tg # 948; від температури для паперу, просоченої компаундом, має два максимуми: перший спостерігається при негативних температурах і характеризує втрати клітковини, другий максимум при підвищеній температурі обумовлений дипольним втратами компаунда. Зі збільшенням температури в полярних діелектриках зростають втрати, пов'язані з електропровідністю.