Зависимость удельной электропроводности от напряженности электрического поля

В области слабых полей увеличение удельной проводимости (уменьшение сопротивления изоляции) с повышением приложенного напряжения можно объяснить, наряду с образованием объемных зарядов, плохим контактом между электродом и диэлектриком, изменением под действием поля формы и размеров включений влаги, ионизацией газовых включений и др. В сильных полях 10—100 МВ/м зависимость удельной проводимости от напряженности Е хорошо описывается эмпирической формулой Пуля, а в некоторых случаях формулой Френкеля.

У полимерных диэлектриков существенного отклонения от закона Ома для электрической проводимости, обусловленной сквозным током, не обнаружено вплоть до напряженностей 10⁷—10⁸ В/м. Значительные отклонения от закона Ома наблюдаются для эффективной электрической проводимости, т.е., с учетом поляризации и времени выдержки образца под напряжением. В этом случае зависимость γ=F(E) обусловлена нелинейной зависимостью поляризованности от напряжения для высоковольтной поляризации, а не эффектами Пуля—Френкеля.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Определения

Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлении (или удельной проводимости). Если известно сопротивление диэлектрика в Омах, то потери мощности в нем в ваттах можно подсчитать по известному соотношению

P=U²/R, (3.3.1)

где U — напряжение, В.

Для сопоставления потерь различных материалов лучше пользоваться удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1 м будут определяться по формуле

Руд=Е²/ρ, (3.3.2)

или

Руд = E ²·V, (3.3.3)

где Е — напряженность электрического поля, ρ — удельное электрическое сопротивление, v — удельная электрическая проводимость.

В переменном электрическом поле диэлектрические потери (диэлектрическое поглощение) связаны в основном с процессами установления поляризации. Упругие, быстропротекающие виды поляризации — электронная и ионная вызывают поглощение энергии электрического поля на частотах инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, когда частоты собственных колебаний ионов и электронов совпадают с частотой электрического поля. Основным источником диэлектрических потерь в широкой области радиочастот в большинстве случаев являются релаксационные виды поляризации, связанные с тепловым движением ионов, электронов или полярных молекул, радикалов, доменов или объемных зарядов, локализованных на неоднородностях.

При рассмотрении потерь на переменном напряжении закономерности получаются более сложные, чем на постоянном напряжении. Когда говорят о диэлектрических потерях, то, обычно, имеют ввиду потери при переменном напряжении.

В электрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т.е. диэлектриком без потерь, вектор тока опережает вектор напряжения на 90°. В реальных диэлектриках угол между током Iс, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока Iа, совпадающего по фазе с напряжением. Векторные диаграммы для идеального диэлектрика и упрощенная векторная диаграмма диэлектрика с потерями показаны на рис. 3.3.1. На этом же рис. показаны схемы замещения диэлектрика без потерь и с потерями (а, б, в).

рис 3.3.1

Чисто формально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельно или последовательно соединенных емкости и активного сопротивления.

Угол 6, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°, называется углом диэлектрических потерь. Как видно из векторной диаграммы тангенс этого угла равен отношению активного и реактивного токов

tgδ=Ia/Ic (3.3.4)

или отношению активной мощности Ра к реактивной Рр

tgδ=Pa/Pp. (3.3.5)

Иногда для характеристики устройства с диэлектриком определяют добротность — параметр, обратный тангенсу угла диэлектрических потерь

Q=1/tgδ=ctgδ (3.3.6)

У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10^-3 —2·10^-4 для низкочастотных диэлектрических материалов — полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10^-1—10^-2 для слабополярных—до 10^-3.