Диэлектрические потери в твердых диэлектриках и зависимость тангенса угла потерь от внешних факторов

Лекция № 9

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением - возможны все виды диэлектрических потерь.

Твердые вещества можно подразделить на четыре группы:

- диэлектрики молекулярной структуры;

- диэлектрики ионной структуры;

- сегнетоэлектрики;

- диэлектрики неоднородной структуры.

Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают очень малыми диэлектрическими потерями (церезин, неполярные полимеры - полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др.) - высочайшие диэлектрики.

Диэлектрики с полярными молекулами главным образом органические вещества (материалы на основе целлюлозы: бумага, картон), полярные полимеры (органическое стекло), полиамиды (капрон) и полиуретаны, каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы и др. Эти вещества обладают большими потерями (дипольная релаксационная поляризация), которые существенно зависят от температуры.

Возрастание потерь после минимума объясняется увеличением потерь от сквозной электропроводности (рис. 3.7).

Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке.

В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. Среди таких веществ: корунд (Al₂O₃), входящий в состав ультрафарфора, каменная соль (NaCl).

Рисунок 3.7 - Зависимость от t для высушенной бумаги

Кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов характеризуются релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные электрические потери: муллит - в составе изоляторного фарфора; кордиерит - компонент керамики с малым температурным коэффициентом расширения и др.

Так как для большинства видов электрокерамики число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, то максимум tg отсутствует и температурная зависимость tg подобно температурной зависимости удельной проводимости имеет экспоненциальный характер (см. рис. 3.8).

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры - неорганических стеклах - связаны с явлением поляризации и электропроводности.

Следует различать:

- потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямопропорционально частоте (tg не зависит от частоты);

- потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямопропорционально частоте (tg уменьшается с возрастанием частоты).

Рисунок 3.8 - Температурная зависимость tg для большинства видов электрокерамики

В первом случае потери обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Введение оксидов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь.

Термообработка - отжиг или закалка - также заметно влияет на угол диэлектрических потерь стекла в связи с изменением его структуры.

Во втором случае потери вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери появляются обычно при температурах выше 50 - 100 ⁰С.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков и мало изменяются с температурой в области самопроизвольной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда самопроизвольная поляризация исчезает. Диэлектрические потери в керамике определяются видом кристаллической и стекловидной фаз и количественного соотношения между ними.

Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при высоких напряженностях поля вследствие развития ионизации.

В электроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других - удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих - использованием отходов (слюдяные материалы и т.д.).

Контрольные вопросы

1. Что называют диэлектрическими потерями? Какие механизмы диэлектрических потерь вам известны?

2. В каких случаях интересуются диэлектрическими потерями в материалах и с помощью каких параметров оценивают их величину?

3. Каковы основные виды диэлектрических потерь и зависимости их от внешних факторов?

4. Как влияет температура на положение частотного максимума tgd релаксационных потерь?

5. Какие диэлектрики относят к высокочастотным?

6. В каких диэлектриках и при каких условиях важную роль играют потери на ионизацию?