Что такое диэлектрические потери

Диэлектриком считается материал, который обладает плохой электропроводностью и приобретает способность накапливать электрический заряд благодаря поляризации. Подобные материалы используются в качестве электроизоляторов. В них наряду с электрическими потерями, связанными со сквозной электропроводимостью и замедленной поляризацией, образуются еще потери, оказывающие сильное влияние на диэлектрические свойства.

Определение диэлектрических потерь

Что называют диэлектрическими потерями

Потери энергии в диэлектриках, связанные с нагреванием материала, называются диэлектрическими. Например, конденсатор, включенный в цепь переменного тока, в течение каждого периода напряжения заряжается и разряжается, что сопровождается расходом мощности. Объем этого расхода зависит от частоты синусоидального тока и физических свойств диэлектрика.

Основные причины, по которым возникают потери

Вследствие существования электрической проводимости движение заряженных частиц (электрический ток) в материале становится причиной того, что энергия рассеивается. Диэлектрические потери — это рассеивание энергии за счет движения зарядов в замещающем электромагнитном поле при изменении направления поляризации.

Более того, эти потери особенно высоки вблизи релаксационных или резонансных частот механизмов поляризации. Поляризация задерживает приложенное поле, из-за чего возникает взаимодействие между полем и поляризацией диэлектрического материала, что приводит к нагреву с рассеиванием тепла.

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь

Для оценки бесполезного расхода мощности используют угол диэлектрических потерь, а точнее тангенс данного угла — tg δ. Это безразмерная величина, позволяющая оценить предполагаемый расход мощности из-за рассеивания электромагнитной энергии в диэлектрике.

Физический смысл угла потерь

Говоря простым языком, тангенс дельта — это тангенс угла между вектором напряженности переменного электрополя и вектором поляризации материала. Чем выше значение tg δ, тем значительнее бесполезные потери мощности.

Схема замещения диэлектрика

Формула тангенса угла δ, исходя из эквивалентной схемы замещения диэлектрика, согласно которой диэлектрик замещается емкостью с параллельно подключенным активным сопротивлением, следующая:

Определение тангенса угла потерь

Тангенс угла δ играет ключевую роль на очень высоких частотах (выше 1 ГГц) и позволяет определить затухание сигнала. С его помощью оценивают потери из-за фундаментальной диссипации электромагнитной энергии в диэлектрике. Согласно схеме замещения, рассеиваемая тепловая мощность в материале определяется по закону Джоуля-Ленца.

Формула мощности

Прочие характеристики диэлектриков

Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла δ — это числовые значения, которые помогают определить пригодность диэлектрического материала для определенных целей. Проницаемость диэлектрического материала обозначается символом ε. Формула диэлектрической проницаемости имеет вид:

Формула диэлектрической проницаемости

Еще один фактор, влияющий на потери мощности, называется коэффициентом диэлектрических потерь ε”. Он представляет собой произведение диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла tg δ:

Коэффициент потерь

Как следует из формулы, мощность будет больше рассеиваться в тех материалах, которым присуща более высокая диэлектрическая проницаемость, что является существенным недостатком использования подобных материалов в практических приложениях.

Негативное проявление потерь

Какие существуют потери

Исходя из физической природы материалов, можно выделить виды диэлектрических потерь, обусловленные:

• поляризацией;
• сквозной электропроводностью;
• ионизацией;
• неоднородностью структуры.

Для наглядности виды потерь и сведения об их особенностях сведены в таблицу.

Классификация потерь

Явление ионизации

Ионизационные потери свойственны газообразным материалам. Они могут образовываться и в пористых твердых диэлектриках, если в них присутствуют газовые включения, а также в жидких при наличии в них микропузырьков воздуха.

Ионизация появляется, если приложенное напряжение превышает порог ионизации U_ион. Та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию газовых включений или самого газа, называется ионизационными потерями.

Ионизация пористых диэлектриков

Практическое использование явления

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках, возникающие при нагреве, широко используются в промышленности для сушки пиломатериалов и многих других волокнистых материалов, а также для отверждения термореактивных клеев, быстрого застывания и сушки поролона, предварительного нагрева пластмасс перед формовкой.

Диэлектрические полезные потери используются для разогрева пищи в микроволновой печи. Источником электромагнитного излучения сверхвысокой частоты в микроволновой печи является электронный прибор магнетрон.

Принцип работы микроволновой печи

Частота используемой микроволновой печи почти такая же, как частота релаксации механизма ориентационной поляризации в воде. Вследствие этого любая, присутствующая в разогреваемой пище вода, впитывает энергию, которая затем рассеивается в виде тепла. Более того, используемая частота несколько отличается от частоты, при которой в воде потери максимальны. Поэтому микроволны не поглощаются полностью первым слоем воды, а проникают через него вглубь. Таким образом обеспечивается надлежащий прогрев пищи по всей ее массе.

Видео по теме