Диэлектрические потери. Векторная диаграмма токов и напряжения для параллельной схемы эквивалентного конденсатора. Виды поляризации

Диэлектрические потери (Д.п.), 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; 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). 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 W . Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол , 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  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  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  = 1/, где  — круговая частота электрического поля:  = 2/ 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, 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 _ велики и имеют максимум при равенстве этих частот  = ₀ (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 _ = U² C tg ,где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg  — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см³ диэлектрика в однородном поле Е равны: W _ = E²  tg ,где  — диэлектрическая проницаемость. Произведение  tg  называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие Д. п. используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

Виды поляризации: электронная, дипольно-релаксационная, ионная, ионно-релаксационная, спонтанная (самопроизвольная)

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов относительно ядра под действием сил электрического поля.

Дипольно-релаксационная поляризация заключается в ориентации, повороте дипольных молекул, дипольных групп цепи макромолекул под действием сил электрического поля. Этот вид поляризации наблюдается у полярных диэлектриков.

Ионная поляризация - это смещение упруго связанных ионов на расстояние меньше постоянной решетки под действием электрического поля (рис. 4). Этот вид поляризации характерен для твердых неорганических кристаллических диэлектриков с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, алюминооксид А12О3, поликор - керамика на основе А12Оз).

Ионно - релаксационная поляризация заключается в перебросе слабо связанных ионов на расстояния, превышающие постоянную решетки, под действием внешнего электрического поля.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация - это поляризация диэлектрика, возникающая в отсутствие внешнего электрического поля. Она характерна для твердых кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов(сегнетоэлекрики).