Физическая сущность диэлектрических потерь

Лекция № 8

Диэлектрические потери в материалах

Основные понятия о диэлектрических потерях, векторная диаграмма токов в диэлектрике, угол диэлектрических потерь

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

В диэлектрике, помещенном в переменное синусоидальное поле с напряженностью Е и угловой частотой w, возникают электрические токи двух видов: ток смещения и ток проводимости. Плотность тока смещения:

, (3.17)

Плотность тока проводимости:

, (3.18)

где - удельная активная проводимость диэлектрика на угловой частоте .

Плотность общего тока J равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости. Векторная диаграмма на комплексной плоскости изображена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Векторная диаграмма на комплексной плоскости

Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (j_a=0), ток был бы чисто реактивным и его плотность на рис.3.6 была бы направлена по мнимой оси под углом 90⁰ к вектору Е. Но у реальных диэлектриков, с j_a отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол = 90⁰- относительно тока идеального диэлектрика ( - угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше j_a , тем больше угол , характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального. Угол между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь.

Тангенс этого угла является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но и конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов.

Физическая сущность диэлектрических потерь

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. так называемые удельные диэлектрические потери:

p = j_aE² , (3.19)

или

, [Вт/м³] (3.20)

где E - действующее значение напряженности переменного тока, В/м. Чем выше , тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности.

Введение безразмерного параметра удобно потому, что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала. Если конденсатору или другому изоляционному элементу приложено напряжение с угловой частотой и действующим значением V, то отношение тока проводимости I_пр = V / R_a (R_a - активное сопротивление элемента на частоте ) к току смещения I_см = V C (C - емкость) можно выразить так:

, (3.21)

Так как R_a = 1/ j_aL , а где L - приведенная длина, то:

. (3.22)

Тогда полные диэлектрические потери в участке изоляции:

p = V²/R_a= V²C tg . [Вт] (3.23)

Наряду с потерями характеризует добротность конденсатора, а следовательно и добротность всего контура:

Q = 1 / tg . (3.24)