«Диэлектрические потери»

часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло. При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление (см. Диэлектрики); за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации (См. Релаксация)). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии Wε. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол δ, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации τ во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации τ значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство ω = 1/τ, где ω — круговая частота электрического поля: ω = 2π/T.

Описанный механизм релаксационных Д. п. имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных Д. п. в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах (См. Полимеры), содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1). Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п. W_ε велики и имеют максимум при равенстве этих частот ω = ω₀ (рис. 2). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (10¹²—10¹³ гц).

Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.

Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

W_ε = U²ωC tg δ,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg δ — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см³ диэлектрика в однородном поле Е равны:

W_ε = E²ωε tg δ,

где ε — диэлектрическая проницаемость.

Произведение ε tg δ называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие Д. п. используются для диэлектрического нагрева (См. Диэлектрический нагрев) в электрическом поле высокой частоты.

Лит.: Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. — Л., 1949; Браун В., Диэлектрики, пер. с англ., М., 1961; Хиппель А. Р., Диэлектрики и их применение, пер. с англ., М., 1959; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960, с. 643.

Е. А. Конорова.

Рис. 1. Модель диэлектрика, состоящего из осцилляторов — упруго связанных электрических зарядов.

Рис. 2. Зависимость W_ε^(ω) для диэлектрика, состоящего из одинаковых осцилляторов, изображённых на рис. 1.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ - часть энергии переменного электрического поля, необратимо преобразующаяся в тепло в диэлектрике.

dielectric loss

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

часть энергии перем. электрич. поля Е, к-рая преобразуется в теплоту при переполяризации диэлектрика. Все движения частиц в веществе связаны с диссипацией части энергии, сообщённой частицам электрическим полем; в конечном счёте эта часть энергии превращается в теплоту. Величина «сил трения» и, следовательно, Д. п. тем больше, чем больше скорость ч-ц. Это указывает на зависимость Д. п. от частоты со поля Ж.

Если осн. роль в поляризации диэлектрика играют малые смещения эл-нов и ионов, то диэлектрик можно рассматривать как совокупность гармонич. осцилляторов, испытывающих в перем. поле вынужденные колебания. Потери энергии при таких колебаниях максимальны, если со близка к частоте собственных колебаний осциллятора (резонанс). При выходе частоты из области резонанса амплитуды колебаний и скорости ч-ц быстро уменьшаются, и Д. п. становятся небольшими. При электронном механизме поляризации максимум потерь приходится на оптич. частоты (=1015Гц), поэтому для электротехнич. и радиотехнич. частот Д. п. ничтожны. При поляризации, обусловленной смещением ионов, максимум Д. п. расположен в ИК диапазоне (1012 —1013 Гц).

Ещё меньшие частоты соответствуют максимуму Д. п. при ориентац. поляризации. Если период колебаний внеш. поля меньше, чем время, необходимое для выстраивания дипольных моментов вдоль поля, поляризация почти не успевает устанавливаться и Д. п. малы. При низких частотах поляризация успевает следовать за полем, т. е. смещения ч-ц велики, но из-за больших величин времени смещений Д. п. также малы. Максимум Д. п. имеет место при наложении перем. поля, период к-рого Т примерно равен времени установления ориентации молекул (времени релаксации). Для воды, где поляризация в основном ориентационная. Т =10-10 с.

Д. п. количественно характеризуются величиной тангенса угла Д. п. tg6 (угол б — разность фаз между векторами поляризации Р и напряжённости Е электрич. поля).

Реальные диэлектрики обладают конечной электрич. проводимостью s, с наличием к-рой также связана часть Д. п. При низких частотах джоулевы потери, связанные с проводимостью, могут оказаться существенными, т. к. (в отличие от рассмотренных выше) их величина?0 при w®0. Если Д. п. обусловлены только проводимостью, то tgd=4ps/w (в единицах СГСЭ).

диэлектри́ческие поте́ри

часть энергии переменного электрического поля, необратимо преобразующаяся в тепло в диэлектрике.

* * *

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ПОТЕ́РИ, часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике(см. ДИЭЛЕКТРИКИ), т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации(см. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ), качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем, кроме сквозной электропроводности, могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции. Чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь d называют угол, равный разности фаз между векторами поляризации Р и напряженности Е электрического поля, т. е. это угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90^о; при этом угол d равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь и его функция tgd. Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте. Материалы, предназначенные для применения в этих условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости. Большие диэлектрические потери в электроизоляционных материалах вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Виды диэлектрических потерь

1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные оксиды, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления.

3) Ионизационные потери. Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества.

часть энергии перем. электрич. поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике. Обусловлены как током смещения в диэлектрике, так и током проводимости. Д. п. увеличиваются с возрастанием напряжённости и частоты поля, а также при увлажнении и загрязнении диэлектрич. материала. Кроме того, имеют место резонансные увеличения Д. п.

perdite dielettriche [nel dielettrico]

діелектри́чні втра́ти

діелектри́чні втра́ти

часть энергии переменного электрич. поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике. Д. п. увеличиваются с возрастанием напряжённости и частоты поля, а также при увлажнении и загрязнении диэлектрич. материала. Кроме того, имеют место резонансные увеличения Д. п.