Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 9 )

Диэлектрические потери	Главные особенности	Виды диэлектриков
Обусловленные электропроводностью	Независимость потерь от частоты (тангенс угла потерь с частотой снижается по гиперболе) и заметное возрастание с возрастанием температуры	Жидкие и твердые диэлектрики с большой электропроводностью
Ионизационные	Наблюдаются при напряжениях выше ионизационного	Газообразные диэлектрики и твердые с газовыми включениями
Обусловленные неоднородностью структуры	Сложная зависимость потерь от компонентов, входящих в состав диэлектрика и случайных примесей	Неоднородные диэлектрики

4.3 Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.

Как известно, все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Величина тангенса угла диэлектрических потерь может быть вычислена по формуле (4.14).

Объемное удельное сопротивление газов - порядка 1016 Ом×м, диэлектрическая проницаемость близка к единице и тангенс угла диэлектрических потерь на промышленной частоте менее 4×10-8.

При высоких напряжениях и неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превзойдет некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию. По возрастанию тангенса угла диэлектрических потерь с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции (рисунок 4.3).

Кривую tgδ=f(U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация потери в газах возрастает настолько, что явление ионизации может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает U0.

Возникновение ионизации газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоляции, нередко приводит к такому же разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

Рисунок 4.3 - Изменение tgδ в зависимости от напряжения

для изолятора с воздушными включениями

На линиях электропередач высокого напряжения потери на ионизацию воздуха у поверхности проводов (явление короны) снижают к. п.д. линии.

4.4 Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами.

Удельная проводимость нейтральных чистых жидкостей, как было указано ранее, чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, тангенс угла диэлектрических потерь которого очень мал.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, частота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью.

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).

У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно проявляется зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре составляет от 10-10 до 10-11 См×м-1. Диэлектрические потери, наблюдаемые в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери называют дипольно-релаксационными потерями.

Объяснение природы потерь в вязких полярных жидкостях можно дать, основываясь на представлениях о механизме дипольно-релакса-ционной поляризации.

Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением тепла. Если вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля, и дипольная поляризация практически исчезает, диэлектрические потери при этом будут малы. Дипольные потери будут также малы, если вязкость жидкости мала и ориентация молекул происходит без трения. При средней вязкости дипольные потери могут быть существенны и при некотором значении вязкости имеют максимум.

4.5 Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

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

Для удобства рассмотрения диэлектрических потерь в твердых веществах последние можно подразделить на четыре группы: диэлектрики молекулярной структуры, ионной структуры, сегнетоэлектрики и диэлектрики неоднородной структуры.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной структуры зависят от вида молекул.

В случае неполярных молекул в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери ничтожно малы. К таким диэлектрикам относятся сера, парафин, неполярные полимеры - полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их весьма малыми потерями находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды (капрон и др.) и полиуретаны, каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.) и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями.

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, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко (на 2-3 порядка) увеличивают диэлектрические потери.

Главным фактором, определяющим диэлектрические потери в неорганических стеклах, является то или иное сочетание входящих в стекло окислов. Наличие в стекле щелочных окислов при отсутствии тяжелых окислов вызывает значительное повышение диэлектрических потерь стекла. Введение тяжелых окислов уменьшает тангенс угла диэлектрических потерь щелочных стекол.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков. Особенностью сегнетоэлектриков, как указывалось ранее, является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области самопроизвольной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает.

К твердым веществам с неоднородной структурой, используемым в качестве диэлектриков, принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, механически смешанных друг с другом. К неоднородным диэлектрикам относится, прежде всего, керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах).

Диэлектрические потери в керамике зависят от характера кристаллической и стекловидной фаз и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при высоких напряженностях поля вследствие развития ионизации.

Потери в керамике могут оказаться повышенными, если в процессе производства в керамическом изделии образуются полупроводящие включения с электронной электропроводностью. Увеличение потерь в керамике происходит также за счет адсорбированной влаги при наличии открытой пористости.

К числу неоднородных материалов следует отнести слюду, обладающую слоистой структурой. Наличие полупроводящих прослоек в пластинках слюды вызывает увеличение тангенса угла диэлектрических потерь при переменном напряжении низкой частоты по сравнению со значением тангенса угла диэлектрических потерь самих весьма тонких монокристаллов этого материала.

Пропитанную бумагу следует также отнести к диэлектрикам неоднородной структуры. Такая бумага, кроме волокон целлюлозы, содержит пропитывающее вещество того или иного состава. Диэлектрические потери пропитанной бумаги определяются электрическими свойствами обоих компонентов, их количественным соотношением и остаточными воздушными включениями.

В современной электроизоляционной технике применяется большое количество неоднородных диэлектриков. 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 ценных отходов (слюдяные материалы и т. д.).