Диэлектрические потери

Природа и механизмы диэлектрических потерь

Диэлектрические потери представляют собой процессы необратимого преобразования части энергии переменного электрического поля в теплоту при взаимодействии с диэлектриком. Эти потери связаны с несовершенной поляризацией вещества, наличием токов утечки, релаксационными явлениями и другими процессами, препятствующими полностью упругому отклику диэлектрика на внешнее поле. Величина диэлектрических потерь характеризует эффективность диэлектрика при передаче или накоплении электрической энергии.

Физически диэлектрические потери обусловлены наличием фазового сдвига между вектором напряжённости электрического поля E и вектором электрической индукции D, что отражает наличие диссипативных процессов.

  1. Потери на проводимость (токи утечки) Возникают из-за наличия в диэлектрике свободных зарядов (электронов, ионов), способных перемещаться под действием электрического поля. Даже в изоляторах существует крайне малая, но ненулевая электропроводность.

    • Омическая проводимость обусловлена примесями, дефектами и тепловой генерацией носителей заряда.
    • Ионная проводимость наблюдается в ионных кристаллах, когда ионы или вакансии перемещаются под действием поля.

  2. Поляризационные потери Связаны с запаздыванием установления поляризации по отношению к изменяющемуся полю. Это особенно заметно при высоких частотах, когда диполи не успевают следовать за быстрыми колебаниями поля.

    • Дипольная релаксация — отставание ориентации полярных молекул.
    • Ионная релаксация — смещение ионов в узлах кристаллической решётки с запаздыванием.

  3. Потери на проводимость через поверхность Проявляются при загрязнении или увлажнении поверхности диэлектрика, что снижает сопротивление изоляции и усиливает токи утечки.

  4. Потери на джоулев нагрев от токов смещения Особенно заметны при больших амплитудах переменного поля и высоких частотах.

Количественная характеристика диэлектрических потерь

В электротехнике и физике твёрдого тела используют понятие угла диэлектрических потерь δ, определяемого как угол между векторами D и E.

Тангенс этого угла — tan δ — выражает отношение активной мощности, рассеиваемой в диэлектрике, к реактивной мощности:

$$ \tan\delta = \frac{P_\text{пот}}{P_\text{реак}} $$

Где:

  • Pпот — мощность, переходящая в тепло,
  • Pреак — мощность, связанная с обратимым процессом накопления энергии.

Для идеального диэлектрика δ = 0, что означает отсутствие потерь.

Микроскопическая природа диэлектрических потерь

1. Релаксационные механизмы Поляризация диэлектрика под действием переменного поля подчиняется уравнению Дебая:

$$ P(t) + \tau \frac{dP}{dt} = \varepsilon_0 (\varepsilon_s - \varepsilon_\infty) E(t) $$

где τ — время релаксации, εs — статическая диэлектрическая проницаемость, ε∞ — высокочастотная проницаемость. Если частота поля сравнима с 1/τ, возникает максимальное рассеяние энергии.

2. Ионная проводимость и дрейф Наличие дефектов типа вакансий и междоузельных атомов способствует перемещению ионов. При этом затраты энергии идут на преодоление потенциальных барьеров в кристаллической решётке, что сопровождается выделением тепла.

3. Электронная проводимость В твёрдых диэлектриках возможна термическая генерация электронов в зону проводимости, что при переменном поле вызывает джоулевы потери.

Частотная зависимость диэлектрических потерь

Характер зависимости потерь от частоты определяется преобладающим механизмом:

  • Низкие частоты — доминируют потери на проводимость, так как диполи успевают полностью следовать за полем.
  • Средние частоты — релаксационные потери достигают максимума при ωτ ≈ 1.
  • Высокие частоты (суб- и терагерцовый диапазон) — наблюдается спад потерь, так как инерция диполей препятствует их повороту, остаются только электронная и ионная поляризации.

Температурная зависимость

Диэлектрические потери сильно зависят от температуры:

  • При повышении температуры увеличивается проводимость (по закону Аррениуса: σ ∼ e−Ea/kT), что повышает потери.
  • Вблизи фазовых переходов (например, в сегнетоэлектриках) возможны резкие пики потерь из-за роста подвижности доменных границ и аномального увеличения диэлектрической проницаемости.

Диэлектрические потери в различных материалах

  • Полярные органические диэлектрики (поливинилхлорид, полиэтилен с полярными группами) имеют значительные релаксационные потери.
  • Керамические материалы (титанаты, сегнетоэлектрики) показывают сильную зависимость потерь от температуры и частоты.
  • Неполярные полимеры (политетрафторэтилен, полиэтилен) обладают очень малыми потерями, что делает их идеальными для СВЧ-техники.

Методы снижения диэлектрических потерь

  • Использование высокочистых материалов с минимальным содержанием примесей.
  • Сушка и герметизация для устранения влаги.
  • Оптимизация структуры (ориентация полимерных цепей, уменьшение пористости).
  • Выбор рабочих частот вне резонансных и релаксационных максимумов.
Оглавление