Министерствообразования Российской Федерации
КрасноярскийГосударственный Технический Университет
Реферат по материаловедению на тему:
«Диэлектрические материалы.
Тангенс угла диэлектрических потерь.»
Выполнил: студент гр.ЭМ104Ж-В
Шманов АндрейАлександрович
Проверил: преподаватель
Ковель АнатолийАрхипович
г. Железногорск 2006 г.Диэлектрики. Общие сведения.
Все веществапо электрическим свойствам условно делятся на три группы – проводники,диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочнымисвязями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в ихсостав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться подвлиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков впроводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей,поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явлениеэлектрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегдаимеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещатьсявнутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являютсяабсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условияхтаких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток,называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимостипроводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельнуюэлектрическую проводимость не больше 10-7 – 10-8 См/м, проводникам – имеющиепроводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая парыметаллов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические,полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от егоагрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления вгазообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.Свойства диэлектриков.Влажностные свойства диэлектриков.
Электроизоляционныематериалы в большей или меньшей степени гигроскопичны,т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способныпропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некотороеколичество водяного пара.
Абсолютнойвлажностью воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащийся в единице объемавоздуха (м³). Каждой температуре соответствует определенное значениеабсолютной влажности при насыщении (mнас). Большего количества воды воздух содержать неможет, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая длянасыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет идавление водяных паров.
Относительнойвлажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение
За нормальнуювлажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойствгигроскопичных материалов в стандартных условиях увлажнения и т.п.) принимаютотносительную влажность воздуха j=65%. В воздухе с нормальной влажностью при 20° Ссодержание водяных паров m=17,3∙0,65=11,25г/м.
Водаявляется сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением порядка10³-104 Ом∙м.Поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению ихэлектрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенныхтемпературах (30-40º С) и высоких значениях j, близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются встранах с тропическим климатом. В первую очередь воздействие повышеннойвлажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков. Дляпредохранения поверхности электроизоляционных деталей из полярных твердыхдиэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимисяводой.
Приналичии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуревлага попадает и внутрь материала.
Влажность материалов. Образец электроизоляционногоматериала, помещенный в условиях определенной влажности и температурыокружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторогоравновесного состояния влажности.
Определениевлажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий,при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Длятекстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующаяравновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальныхусловиях. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строениеи химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которыхпроникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, болеегигроскопичны, чем материалы плотного строения.
Определениегигроскопичности по увеличению массы увлажняемого образа хотя и дает некотороепредставление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражаетстепень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении. В томслучае, если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщинеизоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (илизначительную область между промежутками), уже весьма малые количествапоглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции.Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, несоединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрическиесвойства материала менее существенно.
Влагопроницаемость. Кромегигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемостьэлектроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя парыводы. Эта характеристика чрезвычайно важнадля оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов.Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладаетподдающейся измерению влагопроницаемостью.
Для уменьшениягигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широкоприменяется их пропитка. Необходимоиметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и другихорганических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияяна величину rпосле длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулыпропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерамимолекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала длявлаги, а наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могутпроникнуть.Тепловые свойства диэлектриков.
К важнейшимсвойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость,теплопроводность и тепловое расширение.
Нагревостойкость. Способность электроизоляционныхматериалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительновыдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкостью. Нагревостойкость неорганических диэлектриковопределяют, как правило, по началу существенного изменения электрическихсвойств, например по заметному росту tg d или снижению удельногоэлектрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующимизначениями температуры (в ° С), при которой появились эти изменения.Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началумеханических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал поддавлением при нагреве (определение «теплостойкости»). Однако и дляних возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.
Вкачестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкостиэлектроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способунагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значениемтемпературы, при котором изгибающеенапряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этомскорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Для различныхдиэлектриков по этому получаются следующие численные значения:
Эбонит – 65-75°C
Полистирол — 70-85° С
Гетинакс — 150-180° С
В качестве примера употребляющегося впрактике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материаловможно отметить способ кольца и шара. Испытуемый материал заливают вметаллическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра;отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается,что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо.
Температурой вспышки называют температуружидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает приподнесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения — еще болеевысокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкостьзагорается.
Эти характеристики представляют особыйинтерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей,применяемых в производстве электроизоляционных лаков.
Если ухудшение качества изоляции можетобнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствиемедленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старениеможет проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в видеповышения твердости и хрупкости, образования трещин и т.п. для проверкистойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этихматериалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, невызывающей медленного разрушения материала. Свойства образцов, старевшихопределенное время, сравнивают со свойствами исходного материала. При прочихравных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганическихполимеров значительно возрастает с повышением температуры старения, подчиняясьобщим закономерностям изменения скорости химических реакций.
Продолжительность старения t связана с абсолютной температурой старения T зависимостью вида
где А и В — величины, постоянные для данного материала и данных условийстарения.
Помимо температуры существенное влияние наскорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрациикислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чемкислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющихстарение. Тепловое старение ускоряется от освещения образца ультрафиолетовымилучами, воздействия электрического поля, механических нагрузок и т.п.
Для ряда электроизоляционных материалов, вособенности хрупких, весьма важна стойкость по отношению к резким сменамтемпературы (термоударам), в результате которых в материале могут образовыватьсятрещины.
В результате испытаний устанавливаетсястойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различны случаяхможет быть неодинаковой: например,материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, можетоказаться неустойчивым, по отношению к тепловому старению при длительномвоздействии даже при более низкой температуры и т.п. как указывалось, испытаниена действие повышенной температуры иногда приходится указывать с одновременнымвоздействием повышенной влажности воздуха или электрического поля.
Холодостойкость.Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способностьизоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низкихтемпературах, например от -60 до -70° С. При низких температурах, как правило, электрическиесвойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие иэластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими ижесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытанияэлектроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температурнередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.
Теплопроводимость.Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло,выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляциипроводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь визоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы.Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и настойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материаловхарактеризуют теплопроводностью gт, входящей в уравнение Фурье
где, ∆Pt — мощность теплового потока сквозьплощадку ∆S, нормальную к потоку, dT/dl — градиент температуры.
Тепловоерасширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурнымкоэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1 :
Материалы,обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокуюнагревостойкость и наоборот. Химические свойства диэлектриков.
Знаниехимических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации идля разработки технологии.
При длительнойработе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и невызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различнымивеществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей ит.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьмаразнообразна.
Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различнымихимико-технологическими: склеиваться, растворяться в растворителях собразованием лаков и т.д. Растворимость твердых материалов может быть оцененаколичеством материала, преходящим враствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся срастворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшемуколичеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т.е. поконцентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие крастворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировкиатомов: дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях,нейтральные в нейтральных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды(парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине;полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные идругие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях.Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации,высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяютсясравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно. Приповышении температуры растворимость обычно увеличивается.Пробой диэлектриков.
Пробой –потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля– может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции,так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – отмощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора.Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности,может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразныхэлектротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляцияработает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.
Причины пробоябывают различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. Влюбой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышеннойпроводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данномэлектротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существувыводящую это устройство из строя. Однако в этом отношении пробой можетпроявлять себя в разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, какправило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения,приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо. В жидких игазообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частицэлектрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего егонапряжения практически мгновенно. Определение диэлектрических потерь.Потери в постоянном и переменном электрическом полях
Диэлектрические потери, часть энергиипеременного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит втепло. При изменении значения и направления напряжённости Еэлектрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину инаправление; за время одного периода переменного поля поляризация дваждыустанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которыепредставляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанныеионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационнаяполяризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает вовремени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз междунапряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фазмежду напряжённостью электрического поля Еи электрической индукцией D,который и обусловливает потери энергии We. Переходя к векторному изображению величин,можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектораэлектрического поля на некоторый угол d, который носит название угла диэлектрическихпотерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударенияс др. частицами, при этом рассеивается энергия. Если время релаксации t во много раз больше,чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти неуспевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда времярелаксации tзначительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. такжемалы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеютмаксимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.
Описанныймеханизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидкихдиэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величинарелаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, оттемпературы и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода,спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн. В полимерах, содержащих полярныегруппы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более илименее длинных цепочек молекул.
В диэлектрикахс ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать каксовокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытываютвынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1).Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственнойчастоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п.незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов,рассеяние энергии и Д. п. Weвелики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w0(рис. 2). Приэлектронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазонучастот. В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидныекристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерьимеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).
Т. к. реальныедиэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии,связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величинакоторых не зависит от частоты.
Величина Д. п.в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяетсясоотношением:
We= U2wC tg d,
где U — напряжение наобкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угладиэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика воднородном поле Е равны:
We = E2we tg d,
где e — диэлектрическая проницаемость.
Произведение e tg d называетсякоэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение впроизводстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большиедиэлектрические потери используются для диэлектрическогонагрева в электрическом поле высокой частоты.Тангенс угла диэлектрических потерь,схемы замещения диэлектрика
Вдиэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком безпотерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90°.В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, инапряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протеканиеактивного тока IА, совпадающего по фазе с напряжением. Векторныедиаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерямипоказаны на рисунке.
Чистоформально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельноили последовательно соединенных емкости и активного сопротивления. Угол δ,дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°,называется углом диэлектрических потерь. Из векторной диаграммы тангенс этогоугла равен отношению активного и реактивного токов tgδ = IА/IСили отношения активной мощности РА к реактивной РС
tgδ = РА/РС.
Иногда дляхарактеристики устройства с диэлектриком определяют добротность — параметробратный тангенсу угла диэлектрических потерь: Q = 1/ tgδ = ctgδ = tgφ.
У материалов,применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит впределах 10-3 — 10-4; для низкочастотных диэлектрическихматериалов — полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10-1 — 10-2, для слабополярных — до 10-3. Для хорошо осушенныхгазов, не содержащих влаги, значения могут достигать 10-5 — 10-8.Коэффициент диэлектрических потерь
Для упрощениярасчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическаяпроницаемость записывается в виде
ε * = ε ' –iε",
где действительная часть ' имеетфизический смысл относительной диэлектрической проницаемости, а ε"характеризует потери
ε " = ε' tgб,
и называется коэффициентом диэлектрическихпотерь. Виды диэлектрических потерьПотери на электропроводность
Протеканиесквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменномэлектрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность.Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородномнеполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельнуюсхему замещения. Для такой схемы замещения по определению
tgδ=Ia/Ic=U/R
1/UwC=1/RwC,
т.е. tgδ будет обратнопропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также ив полярных диэлектриках. Так как tgδ диэлектриков пропорционален активнойпроводимости tgδ = γa/ γc, то ясно, что tgδбудет следовать за изменением γa, которая увеличиваетсяэкспоненциально с увеличением температуры.
Для ионныхкристаллов можно получить другое выражение для tgδ:
tgδ=(1.8∙1010∙γo/ f) e∙Wa/kT .
Видим, что в последнем выражениипредъэкспоненциальный множитель tgδ зависит обратно пропорционально отчастоты поля и диэлектрической проницаемости материала.
Значения tgδнеполярных полимеров (полиэтилена, политетрафторэтилена) ничтожно малы и лежатв диапазоне (2-5) 10-4. На высоких частотах tgδ,обусловленный сквозным током, менее 10-4. Следует иметь в виду, чтоtgδ конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается небеспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать всоответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения
tgδм= r∙ω∙Cs,
где r, Cs — сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатораРост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частотыпотерь в металлических (проводящих) частях. Следовательно, на общей зависимостиtgδ конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частотыдолжен иметь место минимум. В случае конденсатора с полярным диэлектриком,начиная с некоторой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно
Релаксационные потери
Основныепричины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящихк релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводностидиэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характерамогут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных,например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становитсявозможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др.
Появлениеабсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, нарядус неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.
В вязкихжидкостях полярные молекулы — диполи, ориентируясь во внешнем поле,преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего частьэлектрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектрикахрелаксационные потери вызываются как процессами установления дипольнойполяризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами. Зависимость tgδ от частоты
Зависимость tgδот частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясностьдля вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительносвободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения.Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольногомеханизма потерь при частоте
ωд∙τ=1,
где τ — время релаксации.Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольныхмолекул τ Зависимость tgδ полярныхдиэлектриков от температуры
Еслипренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδот частоты в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано нарисунке.
Зависимость tgδ от напряжения
Зависимость tgδот напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, вволокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д.Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носитназвание кривой ионизации (см. рисунок)
Процессионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего криваяtgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока,обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток,пропорциональный напряжению, растет.
В процессеионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3,ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции вбольшинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разрядыв керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрикаконденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект«мерцания» см. рисунок).
Зависимость tgδ от влажности
Зависимость tgδот влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материаловволокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых керамическихматериалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у такихматериалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости,что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции. Диэлектрические потери полимеров
Диэлектрическиепотери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров,катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение вкачестве высокочастотных диэлектриков. В этом случае часто tgδ =2∙10-4.В полимерах, недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерямисквозной проводимости, как и в полярных диэлектриках, возможны потери надипольную поляризацию (см. рисунок). Диэлектрические потери полярных полимеровопределяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Времяустановления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколькопорядков, поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ оттемпературы и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимостиtgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов tgδ — α, β, γ, δ(см. рисунок) тогда, когда у полимера имеютсяполярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери).При температуре выше температуры стеклования Тс. у полимероввозможна ориентация крупных блоков макромолекулы — сегментов(дипольно-сегментальная поляризация).
Дипольно-сегментальнаяполяризация приводит к появлению «высокотемпературного» максимума (α).Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткимимакромолекулами. Характерная зависимость tgδ от Т для полимерногодиэлектрика с дипольно-групповыми (δ, γ, β) идипольно-сегментальными потерями (α) показана на рисунке.
Диэлектрические потеринеорганических диэлектриков
Обзорэкспериментальных частотных и температурных зависимостей тангенса угладиэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах был проведен в монографииМ. Д. Машкович, главным образом для диапазона СВЧ, что исключительно актуально.Установлено, что на частотах выше 107 — 108 Гцдиэлектрические потери монотонно растут, как показано на рисунке.
Наиболеепологая зависимость tgδ (см. рисунок) у боросиликатного стекла 1 с малымсодержанием ионов модификаторов, наиболее резкое изменение tgδ усвинцовосиликатного стекла 6 (кривая 4). Составы указанных стекол приведены втаблице. Изменение tgδ от частоты для исходного стекла и ситаллов системыLi2O-Al2O3-SiO2 показано нарисунке. Рост tgδ при СВЧ у ситаллов обусловлен релаксационными процессамив кристаллических фазах.
В области СВЧнаиболее слабо поглощают лишь чисто кварцевое и боросиликатное стекла.Стеклообразная фаза в керамике или ситалле служит, по мнению М. Д. Машкович,единственной причиной роста tgδ с частотой при СВЧ.
Дефекты вкристаллах, например в корунде, могут быть причиной релаксационных потерь,проявляющихся в диапазоне СВЧ при температурах, близких к комнатной. Повышенныедиэлектрические потери в диапазоне СВЧ могут быть даже у высокоглиноземистойкерамики, как показано на рисунке.
Диэлектрические потери внеоднородных диэлектриках
Во многихустройствах электроизоляционной, кабельной, электронной техники применяемыедиэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примеромтаких диэлектриков является многослойная бумажная изоляция электрическихвводов, кабелей диэлектрика силовых бумажных конденсаторов, объемно-пористыхдиэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся кмакроскопически неоднородным диэлектрикам.
Вэлектрическом поле в таких диэлектриках практически мгновенно устанавливаетсяраспределение электрического поля в соответствии с распределениемдиэлектрической проницаемости. В переменных полях протекание замедленныхабсорб