Straty dielektryczne
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
edytujPonieważ 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
edytujStraty 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
edytujBez 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
edytujW 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
edytujPrzypisy
edytuj- ↑ A.K. Jonscher, Dielectric..., s. 47.
- ↑ A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 82–92.
- ↑ A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 92–119.
- ↑ A. Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 86, 94.
- ↑ a b A.K. Jonscher, Dielectric..., s. 45.
- ↑ Andrzej Januszajtis: Fale. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991, s. 297. ISBN 83-01-09708-6.
- ↑ Helmut Föll: 3.4.1 Dynamic Properties. [dostęp 2010-12-12].
- ↑ A.Chełkowski, Fizyka dielektryków, s. 14.
Bibliografia
edytuj- A.K. Jonscher: Dielectric relaxation in solids. London: Chelsea Dielectrics Press, 1983. ISBN 0-9508711-0-9.
- August Chełkowski: Fizyka dielektryków. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1979. ISBN 83-01-01273-0.
- Helmut Föll: Electronic Materials. [dostęp 2010-12-10].