Діелектричні втрати

Природа всіх речовин така, що при певних умовах всі вони, так чи інакше, взаємодіють з електричним полем. Речовини, з вмістом вільних позитивних і негативних зарядів в одному кубічному сантиметрі менш 100 000 000 відносяться до діелектриків. З таких речовин виготовлені ізоляційні матеріали. Тому їх взаємодія з електричним полем кількісно оцінюється в тих чи інших цілях.

Електричне поле викликає об`ємний нагрів діелектрика. При цьому існує певна величина електричної потужності, яка іменується як «діелектричні втрати». Вони виникають незалежно від того, який знак у зарядів, що визначають існування цього поля, і чи змінюється цей знак в часі, так чи інакше. Оскільки в речовині присутні заряди, незважаючи на їх малу кількість в ньому виникають струми витоку, що пронизують даний обсяг речовини.

Якщо заряди, що визначають електричне поле стабільні, воно викликає електричний струм в вміщеному в нього зразку діелектрика. Величина цього струму залежить від чиниться діелектриком опору. Його називають опором ізоляції R (з). Але відомо, що якщо металевий стрижень гнути в одному місці туди - сюди він зламається рано чи пізно. Схожим чином на діелектрик впливає і змінне електричне поле, що порушує його структуру.

В результаті електричний струм через діелектрик збільшується. Тому необхідна кількісна оцінка струму в діелектрику, як при постійному, так і при змінній напрузі, доданому до нього. Природа цього струму має ємнісний характер, для якого характерна наявність кута між напругою і струмом. Якщо його доповнювати до 90 ° деяким кутом виходять такі значення цього кута, при яких tg відмінний від нуля.

Як кількісно оцінюються втрати?

Якби діелектрик був ідеальною ємністю, зсув по фазі між напругою і струмом був би рівний 90 °, а кут  при цьому дорівнював нулю. Але оскільки в ньому є втрати, величина кута виходить більше нуля. Він називається як «кут діелектричних втрат», а tg  - як «тангенс кута діелектричних втрат». tg  дає кількісну оцінку втрат.

Очевидно, що ці втрати залежать від частоти. А він сам при цьому може розглядатися, як реальний конденсатор, у вигляді однієї з двох електричних ланцюгів:

Вибір схеми робиться виходячи з того, який саме ток є переважаючим для даного діелектрика. Якщо це струм витоку, вибирається схема а). У цьому випадку втрати визначаються як потужність Р (а) = UU / R. Якщо на величину струму в основному впливає ємність, вибирається схема б). Втрати для неї обчислюються як.

Крім кута і тангенса втрат на практиці використовується величина питомих діелектричних втрат:

З наведених формул, очевидно, що властивості діелектрика найбільш актуальні при великих значеннях величини і частоти напруги. Отже, що застосовуються в таких умовах вироби повинні бути виготовлені з матеріалів з мінімальним значенням tg . Інакше буде відбуватися додатковий нагрів і прискорене руйнування матеріалів - діелектриків входять в конструкцію високовольтного вироби. А в електроніці буде погіршуватися селективність пристроїв з коливальними контурами через зменшення їх добротності.

Прилади для вимірювання

Діелектричні матеріали, що входять в конструкцію тих чи інших виробів в реальних умовах експлуатації схильні до дії умов навколишнього середовища. Тому в них з`являються включення рідин або газів. І при збільшенні напруги починають виникати додаткові втрати. Але цей процес триває до початку процесів іонізації, якому відповідає напруга U1:

Вимірювання значень tg  робиться в діапазоні температур від 10 до 20 градусів за Цельсієм, оскільки цей діапазон забезпечує мінімальні зміни втрат. Вимірювачами для ізоляції кабелів служать, наприклад, серійно випускаються прилади Р5026 і Р525. Приклад схеми, використовуваної в одному з них, показаний на зображенні нижче:

На міст подається напруга від 3 до 10 кіловольт. Регулювання мосту виконуються або дистанційно, використовуючи ізолюючі штанги, або застосовуючи спеціальне екранування вимірювальних елементів і оператора.

Для трансформаторного масла застосовуються інші спеціалізовані прилади, наприклад, як на зображенні нижче:

Своєчасний контроль ізоляції дозволяє істотно зменшити аварії пов`язані з пробоєм її високою напругою, наприклад при ударі блискавки. А якісна ізоляція кабелів з огляду на їх значної протяжності помітно зменшує втрати при електропостачанні цивільних і промислових об`єктів.