Straty dielektryczne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Straty dielektryczne – straty energii zmiennego pola elektrycznego w dielektryku zachodzące na skutek zjawiska polaryzacji dielektrycznej.

Występują one nawet w idealnym (to znaczy zupełnie nie przewodzącym stałego prądu elektrycznego) dielektryku. Nie należy ich mylić ze stratami Joule’a-Lenza (wywołanymi przepływem prądu przewodzenia)[1], choć do praktycznych zastosowań technicznych są często wspólnie opisywane jednym parametrem materiału[a].

Przyczyny[edytuj]

Ponieważ mechanizmy polaryzacji dielektrycznej wymagają przesunięcia mas, polaryzacja dielektryka jest opóźniona w stosunku do przyłożonego zmiennego pola elektrycznego, a siły pola muszą wykonać pracę. Co za tym idzie, pole dostarcza pewnej energii, która następnie jest rozpraszana w dielektryku w postaci ciepła.

  • Siły występujące w polaryzacji elektronowej, atomowej i jonowej mają charakter sił sprężystości, straty dielektryczne w funkcji częstotliwości będą więc w nich miały przebieg podobny do strat energii w tłumionym oscylatorze harmonicznym[2].
  • Zmiany uporządkowania dipoli w czasie mają bardziej złożony charakter, noszą nazwę relaksacji dipolowej lub relaksacji orientacyjnej, do ich opisu stosuje się kilka modeli i zależności empirycznych[3].
  • Bez względu na mechanizm polaryzacji jej dynamika w sinusoidalnie zmiennym polu elektrycznym jest zawsze opisywana przez zespoloną funkcję podatności dielektrycznej lub przenikalności dielektrycznej, których składowa urojona jest miarą strat dielektrycznych[4][5].

Znaczenie i zastosowania[edytuj]

Straty dielektryczne powodują tłumienie fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w materii. Współczynnik tłumienia fali jest proporcjonalny do współczynnika strat przy danej częstotliwości fali[6]. Z tego powodu powietrze atmosferyczne nie przepuszcza fal elektromagnetycznych o określonej długości, a woda tłumi podczerwień i ultrafiolet będąc przezroczystą dla promieniowania widzialnego.

Straty dielektryczne mają duże znaczenie w elektronice i elektrotechnice, szczególnie w kondensatorach pracujących w obwodach prądu zmiennego. Istotne są również w elementach izolacyjnych pracujących przy dużych częstotliwościach i dużym natężeniu pola elektrycznego.

Zastosowania techniczne:

  • Ogrzewanie.
    • Kuchenki mikrofalowe.
    • Diatermia w medycynie.
    • Urządzenia przemysłowe.

Formalny opis strat dielektrycznych[edytuj]

Bez względu na mechanizm rozpraszania energii gęstość mocy (moc na jednostkę objętości) traconej w dielektryku można zawsze opisać przez[7]:

,

gdzie

- gęstość prądu elektrycznego,
- natężenie pola elektrycznego.

W przypadku idealnego dielektryka nie ma przepływu prądu elektrycznego, zachodzą jedynie zmiany natężenia pola elektrycznego, którym możemy przypisać prąd przesunięcia Maxwella:

,

gdzie

- przenikalność dielektryczna próżni.
- zespolona przenikalność dielektryczna ośrodka.
- zespolona podatność dielektryczna ośrodka.

Po przyłożeniu do dielektryka sinusoidalnego pola elektrycznego określonego przez

otrzymujemy gęstość prądu przesunięcia Maxwella

Po wydzieleniu części rzeczywistej i urojonej

Część urojona jest przesunięta w fazie względem wymuszającego pola elektrycznego i nie powoduje strat energii. Część rzeczywista powoduje wydzielenie się energii pola elektrycznego o gęstości mocy:

Część urojona przenikalności (oraz równa jej część urojona podatności) nosi nazwę współczynnika strat[8]. Straty energii powodują rozgrzewanie się dielektryka.

Ponieważ części rzeczywista i urojona przenikalności dielektrycznej nie są od siebie niezależne, ale określają się wzajemnie poprzez relację Kramersa–Kroniga, straty dielektryczne zachodzą we wszystkich dielektrykach, jeżeli tylko występuje w nich zjawisko polaryzacji dielektrycznej. Dzieje się tak nawet w materiałach zupełnie nie przewodzących stałego prądu elektrycznego – bezstratne dielektryki idealne nie są możliwe nawet w teorii.

Ciepło Joule’a-Lenza[edytuj]

W naturze nie istnieją idealne dielektryki, każdy materiał w jakimś stopniu przewodzi prąd elektryczny. Oprócz strat dielektrycznych wystąpią wtedy w dielektryku dodatkowe straty wywołane przepływem prądu elektrycznego.

W materiale o przewodnictwie właściwym pod wpływem przyłożonego zmiennego pola elektrycznego popłynie zgodny z nim w fazie prąd o gęstości

,

który spowoduje dodatkowe wydzielanie ciepła Joule’a-Lenza o gęstości mocy

Całkowita gęstość prądu zawierająca zarówno prąd przewodzenia, jak i obie składowe prądu przesunięcia (zgodną w fazie i przesuniętą)[5]:

Dla opisu całkowitych strat w dielektryku (zawierających zarówno straty dielektryczne, jak i Joule’a-Lenza) niekiedy używa się przenikalności dielektrycznej ze składową stałego prądu elektrycznego włączoną do jej części zespolonej[b]:

Inne wielkości opisujące straty dielektryczne[edytuj]

  • Zespolone zmiennoprądowe przewodnictwo właściwe określone przez:
.

Również zmiennoprądowe przewodnictwo właściwe, zawierające jedynie część rzeczywistą:

.
  • Kąt stratności i tangens kąta stratności

W zależności od kontekstu część urojona podatności może zawierać również prąd przewodzenia.

  • Kąt strat i tangens kąta strat

W zależności od kontekstu część urojona przenikalności może zawierać również prąd przewodzenia. W literaturze (zwłaszcza technicznej) tangens kąta strat bywa również nazywany współczynnikiem strat, podobnie jak część urojona przenikalności i podatności, co może prowadzić do nieporozumień.

Uwagi

  1. W elektronice i elektrotechnice w ten sposób określa się zwykle parametry dielektryków używanych w kondensatorach.
  2. Formalnie tak zmodyfikowana wielkość nie jest już przenikalnością dielektryczną, nie miej jednak taka konwencja bywa używana w technice.

Przypisy

  1. A.K. Jonscher, Dielectric..., str. 47.
  2. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, str. 82-92.
  3. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, str. 92-119.
  4. A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, str. 86, 94.
  5. a b A.K. Jonscher, Dielectric..., str. 45.
  6. Andrzej Januszajtis: Fale. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991. ISBN 83-01-09708-6.
  7. Helmut Föll: 3.4.1 Dynamic Properties. [dostęp 2010-12-12].
  8. A.Chełkowski, Fizyka dielektryków, str. 14.

Bibliografia[edytuj]

  1. A.K. Jonscher: Dielectric relaxation in solids. London: Chelsea Dielectrics Press, 1983. ISBN 0-9508711-0-9.
  2. August Chełkowski: Fizyka dielektryków. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979. ISBN 83-01-01273-0.
  3. Helmut Föll: Electronic Materials. [dostęp 2010-12-10].