Диэлектрические потери

Определение "Диэлектрические потери" в Большой Советской Энциклопедии

Зависимость диэлектрических потерь от круговой частоты

Диэлектрические потери, 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 (см. Диэлектрики); 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 We. Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый угол d, 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 t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Диэлектрические потери очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Диэлектрические потери также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Диэлектрические потери имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.

Модель диэлектрика, состоящего из осцилляторов

Описанный механизм релаксационных Диэлектрические потери имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы. Величина релаксационных Диэлектрические потери 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, Диэлектрические потери незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Диэлектрические потери W_e велики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w₀ (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 Диэлектрические потери в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:
W_e = U²wC tg d,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в 1 см³ диэлектрика в однородном поле Е равны:
W_e = E²we tg d,
где e — диэлектрическая проницаемость.

Произведение e tg d называется коэффициентом Диэлектрические потери Уменьшение величины Диэлектрические потери имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие Диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

Лит.: 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.
  Е. А. Конорова.