Релаксационные  потери

     Основные  причины, вызывающие протекание через  диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены  в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных, например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др.

     Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.

     В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Зависимость tgδ от частоты

     Зависимость tgδ от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно свободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частоте д (рис) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимума

ω_д∙τ=1,

где τ - время релаксации. Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ << 1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации 1/2f << τ, и tgδ уменьшается. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ =1/R∙ω∙C , уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.

Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры

     Если  пренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδ от частоты в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано на рисунке.

Зависимость tgδ от напряжения

     Зависимость tgδ от напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации (см. рисунок)

     Процесс ионизации пор начинается в точке  А и завершается в точке  В, после чего кривая tgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока, обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток, пропорциональный напряжению, растет.

     В процессе ионизации пор часть  кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3, ускоряющий разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект "мерцания" см. рисунок) .

Зависимость tgδ от влажности

     Зависимость tgδ от влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материалов волокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых керамических материалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у таких материалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости, что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.

Диэлектрические потери полимеров

     Диэлектрические потери неполярных полимеров при  тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. В этом случае часто tgδ =2∙10^-4. В полимерах, недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерями сквозной проводимости, как и в полярных диэлектриках, возможны потери на дипольную поляризацию (см. рисунок). Диэлектрические потери полярных полимеров определяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Время установления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколько порядков, поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ от температуры и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимости tgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов tgδ - α, β, γ, δ(см. рисунок) тогда, когда у полимера имеются полярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери). При температуре выше температуры стеклования Т_с. у полимеров возможна ориентация крупных блоков макромолекулы - сегментов (дипольно-сегментальная поляризация).

     Дипольно-сегментальная  поляризация приводит к появлению "высокотемпературного" максимума (α). Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткими макромолекулами. Характерная зависимость tgδ от Т для полимерного диэлектрика с дипольно-групповыми (δ, γ, β) и дипольно-сегментальными потерями (α) показана на рисунке.

Диэлектрические потери неорганических диэлектриков

     Обзор экспериментальных частотных и  температурных зависимостей тангенса угла диэлектрических потерь в стеклах, керамике, ситаллах был проведен в монографии М. Д. Машкович, главным образом для диапазона СВЧ, что исключительно актуально. Установлено, что на частотах выше 10⁷ - 10⁸ Гц диэлектрические потери монотонно растут, как показано на рисунке.

     Наиболее  пологая зависимость tgδ (см. рисунок) у боросиликатного стекла 1 с малым содержанием ионов модификаторов, наиболее резкое изменение tgδ у свинцовосиликатного стекла 6 (кривая 4). Составы указанных стекол приведены в таблице. Изменение tgδ от частоты для исходного стекла и ситаллов системы Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ показано на рисунке. Рост tgδ при СВЧ у ситаллов обусловлен релаксационными процессами в кристаллических фазах.

     В области СВЧ наиболее 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 в кристаллах, например в корунде, могут быть причиной релаксационных потерь, проявляющихся в диапазоне  СВЧ при температурах, близких  к комнатной. Повышенные диэлектрические потери в диапазоне СВЧ могут быть даже у высокоглиноземистой керамики, как показано на рисунке.

Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках

     Во  многих устройствах электроизоляционной, кабельной, электронной техники применяемые диэлектрические материалы являются макроскопически дефектными средами. Примером таких диэлектриков является многослойная бумажная изоляция электрических вводов, кабелей диэлектрика силовых бумажных конденсаторов, объемно-пористых диэлектриков электролитических конденсаторов и др. Такие материалы относятся к макроскопически неоднородным диэлектрикам.

     В электрическом поле в таких диэлектриках практически мгновенно устанавливается распределение электрического поля в соответствии с распределением диэлектрической проницаемости. В переменных полях протекание замедленных абсорбционных процессов поляризации приводит к диэлектрическому поглощению. Процесс оседания свободных зарядов на границах раздела, приводящий к искажению электрического поля, часто называют межповерхностной или объемной поляризацией. Подобного типа поляризационные процессы возможны и в однородных диэлектриках при наличии в них структурных дефектов, дислокаций, трещин.

     Неоднородный  диэлектрик с проводящими включениями  в переменном электрическом поле может рассматриваться как диэлектрик, содержащий диполи. После оседания на границах раздела носителей заряда их можно рассматривать как диполь, направление момента которого изменяется вместе с изменением направления внешнего электрического поля. При низких частотах поверхностный заряд успевает полностью сформироваться и диэлектрические потери оказываются малыми, так как поляризация находится в фазе с электрическим полем. При высоких частотах диэлектрические потери также малы, так как поверхностная поляризация не успевает устанавливаться за полупериод. В области промежуточных частот диэлектрические потери велики, так как время полупериода будет сопоставимо с временем релаксации поверхностной поляризации. Следовательно, этот вид поляризации обусловливает потери релаксационного типа. В литературе такого типа потери иногда называют потерями Максвелла-Вагнера. В простейшем случае такие потери рассчитываются для двухслойного конденсатора.

     Потери  Максвелла-Вагнера особенно интенсивно проявляются в керамических материалах гетерогенного типа с зернистой  структурой. Существование неоднородностей  возможно и в высококачественных изоляционных керамических материалах. Так как время установления межповерхностной (миграционной) поляризации достаточно велико, то исследовать диэлектрические потери, обусловленные этой поляризацией, можно на инфранизких частотах (10-2 - 10 Гц), либо при высоких температурах.

Использованная  литература.

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.