电介质的损耗材料物理性能

电介质的损耗材料物理性能电介质的损耗材料物理性能 16 2电介质的损耗复习 1 什么是电介质极化 2 给出克劳修斯 莫索蒂方程及其适用范围 3 高介电晶体的结构特点 本节内容 1 介质损耗产生的原因 2 介质损耗的表征方法 3 介质损耗的影响因素 2 一 介质损耗的产生 1 介质损耗绝缘材料在电场作用下 由于介质 电导和介质极化的滞后效应 在其内部引起的能量损耗 简称介损 能量损耗 转变为其它形式的能 如热能 光能等电介质加热 电极之间加高频 电压 因构成电介质的各个分子发生旋转 振动 碰撞 摩擦等激 烈运动 在电介质内部发热 利用电介质发热的加热方式为电介质加热 e e e3电导损耗由漏导电流引起 与自由电荷有关 对电容器施加直流 电压 充电电流随时间增加而降到某一恒定的数值 这个电流称为 电容器的漏电流 2 介质电导和介质极化的滞后效应 1 介质电导的滞后效应 电导损耗结论电导损耗实质是相当于交流 直流电流流过电阻做功 绝缘好的液 固电介质在工作电压下的电导损耗很小 损耗随温度 的增加而急剧增加 e e e与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同 4主要是因为在外电场作 用下 材料内自由电荷重新分布的结果 介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同 11 离子电 导陶瓷材料的漏导电流在测量陶瓷电阻时 加上直流电压后 电阻 需要经过一定的时间才能稳定 切断电源后 将电极短路 有反向放电电流 并随时间减小到零 随时间变化的这部分电流称为吸收电流 最后恒定的电流称为漏导 电流 产生的原因 空间电荷效应在电场作用下 正负离子分别向负 正极移动 引起 介质内各点离子密度变化 并保持在高势垒状态 在介质内部 离子减少 在电极附近离子增加 或在某地方积聚 这样形成自由电荷的积累 称空间电荷 5极化损耗由极化电流引起 介质极化的建立引起电流 与极化松弛 等有关 2 介质极化的滞后效应极化损耗时间V P只有缓慢极化过程才会引起能量损耗 如偶极子转向极化和空间电 荷极化 这种极化损耗能量 极化损耗与温度 电场频率有关 633 常见介质中的损耗形式非极性的液体电介质 无机晶体和非极 性有机电介质电导损耗极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质 极化损耗和电导损耗7损耗角正切tg 介质损耗大小损耗因子 tg 作 为绝缘材料的选择依据品质因素Q 1 tg 应用于高频损耗功率p功率 的计算等效电导率 电介质发热复介电常数的复项 研究材料 的功率 发热有关介质的损耗描述方法有多种 哪一种描述方法比 较方便 需根据用途而定 二 介质损耗的表征方法8在交变电场作用下 电介质内流过的电流 相量和电压相量之间的夹角 功率因数角 的余角 简称介损角 11 介质损耗角 22 介质损耗正切值tg 又称介质损耗因数 是指介质损耗角正切 值 简称介损角正切 介质损耗因数的定义如下9这正是损失角 90 的正切值 因此现在的数字化仪器从本质上讲 是通过测量 或者 得到介损 因数 总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流I R合成 因此电流相量的相量图和电压相量10I I C I R i C G U G S d C S d CRIItgdSU i IdSU GU ICR 损耗角正切111 复介电常数的含义 原子核外电子云的 畸变极化 分子中正 负离子的 相对 位移极化 分子固有 电矩的转向极化 电极化的基本过程有三在外界电场作用下 介质的介电常数 是 综合地反映这三种微观过程的宏观物理量 它是频率 的函数 33 复介电常数12只当频率为零或频率很低 例如11千赫 时 三 种微观过程都参与作用 这时的介电常数 0 对于一定的电介质而言是个常数 通称为介电常数 这也就是静 电介电常数 s s或低频介电常数 低频极化空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电 红外紫外极化率或 极化率和介电常数与频率的关系13中频极化随 着频率的增加 分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化 这时 介电常数取复数形式 j 其中虚部 代表介质损耗 它是由于电极化过程 追随不上外场的变化而引起的 实部随着频率的增加而显著下降 虚部出现峰值 空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外 极化率或 极化率和介电常数与频率的关系14频率再增加 实部 降至新值 虚部 变为零 这表示分子固有电矩的转 向极化已不能响应了 当频率进入到红外区 分子中正 负离子电矩的振动频率与外场发 生共振时 实部 先突然增加 随即陡然下降 又出 现峰值 过此以后 正 负离子的位移极化亦不起作用了 高频极化空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电 红外紫外极化率或 极化率和介电常数与频率的关系15光频极化在 可见光区 只有电子云的畸变极化在起作用了 这时实部取更小的 值 称为光频介电常数 记以 虚部对应于光吸收 光频介电常数 实际上随频率的增加而略有增加 在某些频率时 实部 先突然增加随即陡然下降 与此同时 虚部 出现峰值 这对应于电子跃迁的共振吸收 空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外 极化率或 极化率和介电常数与频率的关系16 ii J i E复电导率 i J E J i E I I C I R i C G U G S d C S d dSUiIdSUGUICR E idUiSIJ 复介电常数22 漏导复介电常数17复介电常数 ii i 损耗角正切 电容项损耗项tg 和 是依赖于频率的量介质的损耗由复介电常数的虚部 引起 通常电容电流由实部 引起 相当于实际测得介电常数 18时间P理想P o实际P 介质的弛豫过程极化强度随时间变化的速率 111P PdtdP P0 x0E P1 x1E x0 x1绝对极化系数 是弛豫时间常数22 极化损耗的复介电常 数19交变电场作用下的P t 为E EiPrc 010 1 rc 复极化系数 相对 011000 r r 10111r rrr rc rii 221 2210 111 rr rrrA 极化损耗复介电常数20 低频或者静态 r 取 0 0 代表静态相对介电常数 频率 r 代表 光频相对介电常数 rr r01011 0 C 0 和 10111r rrr rc rii B 极化损耗复介电常数含义21其中 0 低或静态的相对介电常数 时的相对介电常数 r 0 1 i r 0 1 2 2 r 的实部 r 0 1 2 2 r 的虚部 tg r r D 复介电常数的德拜 表达式 rr r01011 0 10111r rrr rc rii 22研究了电介质的介电常数 反映介 电损耗的 r r 所加电场的角频率 及松弛时间 的关系 0 1110 0 r r 1 r r 最大 大于或小于1时 rr 都小 即松弛时间和所加电场 的频率相比 较大时 偶极子来不及转移定向 rr 就小 松弛 时间比所加电场的频率还要迅速 rr 也小 E 德拜表达式的意义231 直流电压下P W IU GU2G为介质的电导 单位为西门子 S 22EVGUVPpW 在一定的直流电场下 介质损耗率取决于材料的电 导率 44 介质损耗功率定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率p p V为介质体积 为纯自由电荷产生的电导率 S m 24 rrtg 22 交流电压下 tg 介质等效电导率 介质损耗只与 tg 有关 tg 仅由介质本身决定 称为损耗因素 222t iWEtgEVGUVPp r 即为通常测量的 r 则 r 20210 在高频电压下 1 00 在低频电压下 1 与 2成正比 r 0 1 2 2 介质损耗不仅与自由电荷的电导有关 还与松弛极 化过程有关 外施电压一定时 251 当外加电场频率很低 即 0时 介质的 各种极化都能跟上外加电场的变化 此时不存在极化损耗 介电常 数达最大值 介电损耗主要由电导损耗引起 P W和频率无关 tg 则当 0时 tg 随着 的升高 tg 减小 三 介质损耗的影响因素频率 温度 湿度 1 频率的影响 电 容项损耗项tg262 当外加电场频率逐渐升高时 松弛极化在某一频 率开始跟不上外电场的变化 松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小 因而 r随 升高而减少 在这一频率范围内 由于 1 此时tg 随 升高而减小 时 tg 0 001 01 02222 rrtg28 1 当温度很低时 较大 由德拜关系式可知 r较小 tg 也较 小22 1 1 tg 2 温度的影响在此温度范围内 随温度上升 减小 r tg 和P W上升 温度对松弛极化产生影响 因而P 和tg 与温度关系很大 松弛极化随温度升高而增加 离子间易发生移动 松弛时间常数 减小 29 2 当温度较高时 大于Tm 较小 此时 20 0 tg在此温度范围内 随温度上升 减小 tg 减小 P W主要决定于极化过程 P W也随温度上升而减小 30 3 当温度继续升高 达到很大值时 离子热运动能量很大 离子 在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍 因而极化减弱 r下 降 电导损耗剧烈上升 tg 也随温度上升急剧上升 31介质吸潮后 介电常数会增加 但比电导的增加要慢 由于电导 损耗增大以及松驰极化损耗增加 而使tg 增大 对于极性电介质或多孔材料来说 这种影响特别突出 如 纸内水 分含量从4 增加到10 时 其tg 可增加100倍 3 湿度的影响32 四 压碱效应和双碱效应 一 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应 11 玻璃电导中为什么采用压碱效应和双碱效应 因为玻璃的结构 松散 碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络 形成弱 联系离子 所以电导会增加 22 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃电导率 33 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理指当玻璃中碱金属离 子总浓度较大时 占玻璃组成25 30 碱金属离子总浓度相同的情况下 含两种碱金属离子比含一 种碱金属离子的玻璃电导率要小 A 双碱效应33 R K R Li 在外电场的作用下 碱金属离子移动时 Li 离子留下的空位 比K 留下的空位小 K 只能通过本身的空位 Li 进入大体积空位 产生应力 不稳定 只能进入同种离子空位较为稳定 大离子不 能进入小空位 使通路堵塞 妨碍小离子的运动 相互干扰的结果 使电导率大大下降 以K2O Li2O为例例34指含碱破璃中加入二价金属氧化物 特别是重 金属氧化物 使玻璃的电导率降低 相应的阳离子半径越大 这种 效应越强 压碱效应机理由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固 能嵌入 玻璃网络结构 以致堵住了迁移通道 使碱金属离子移动困难 因 而电导率降低 结论一般玻璃相的电导率比晶体相高 因此对介质材料应尽量减少玻璃相的电导 B 压碱效应35 一 玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应 11 玻璃损耗中为什么采用压碱效应和双碱效应 因为碱性氧化物 进入玻璃的点阵结构后 使离子所在处点阵受到破坏 因此 玻璃中碱性氧化物浓度愈大 玻璃结构就愈疏松 离子就有 可能发生移动 造成电导损耗和松弛损耗 使总的损耗增大 22 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃损耗36两种 碱性氧化物加入后 在玻璃中形成微晶结构 在碱性氧化物的一定 比值下 形成的化合物中 离子与主体结构较强地固定着 实际上 不参加引起介质损耗的过程 在离开最佳比值的情况下 一部分碱 金属离子位于微晶的外面 即在结构的不紧密处 使介质损耗增大 33 玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理A 双碱效应在含碱玻 璃中加入二价金属氧化物 特别是重金属氧化物时 压抑效应特别 明显 因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来 减少 松弛极化作用 因而使tg 降低 B 压碱效应37 电介质损耗用作一种电加热手段 即利用高频电场 一般为0 3 300兆赫 对电介质损耗大的材料 如木材 纸 陶瓷 等 进行加热 频率高于300兆赫时 达到微波波段 即为微波加热 家用微波炉即 据此原理 五 介电损耗的应用 当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合 应 尽量采用介质损耗因数 即电介质损耗角正切tg 它是电介质损 耗与该电介质无功功率之比 较低的材料 38总之 介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程 中带电质点 弱束缚电子和弱联系离子 并包括空穴和缺位 移动 时 将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围 分子 使电磁 场能量转变为 分子 的热振动 能量消耗在使电介质发热效应上 结论396 3介电击穿 一 介质的击穿 二 击穿类型热击穿电击穿化学击穿 三 改善击穿的措施本节内容复习 1 电介质产生损耗的原因 2 表征电介质损耗的复介电常数的表达式及含义是什么 3 介质损耗的影响因素 40 一 介质的击穿在强电场作用下 电介质丧失电绝缘能力 电介质 的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎 称为介电击穿 a 可用击穿效应来破碎非金属矿石等b 击穿是标志电介质在电场作 用下保持绝缘性能的极限能力 是决定电力设备 电子元器件最终 使用寿命的重要因素 e e e e e e e eee 1 介电击穿41 3 介电强度 2 击穿电压导致击穿的最低临界电 压称为击穿电压 电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强 即介电强度E c 是绝缘性能好坏的一个重要标志 均匀电场介电强度 击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场 强度 简称击穿场强 又称介电强度 它反映固体电介质自身的 耐电强度 不均匀电场介电强度 击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平 均击穿场强 它低于均匀电场中固体电介质的介电强度 42在电场作用下 固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿 但因电介质内部热量积累 温度过高而导致失去绝缘能力 从而 由绝缘状态突变为良导电状态 一 固体电介质的热击穿11 热击穿的本质发生在高频 高压下 热击穿的核心问题是散热问题 二 固体电介质的击穿类型及影响因素热击穿 电击穿和电化学击 穿43Q1单位时间内固体电介质的发热量Q2 单位时间内固体电介质的 散热量E3 E c E122 热击穿过程固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗 而发热 A 外加电场为E E33 E E c c固体电介质中的发热量Q Q11大于散热量Q Q22 介质温度上升 且因Q Q11始终大于Q Q22 所以固体电介质的温度不断上升 最终介质被烧焦 烧熔 或 烧裂 丧失绝缘性能 发生热击穿 44B B 外加电场为E E11Q Q22 固体电介质温度上升 但当温度度升到Tc时 发热量与散热量 相等 建立起了热平衡 此时 若介质能耐受温度T T c c的作用 则固体电介质能正常工作 不会发生热击穿 C 外加电压为等于E c当介质温度升到Tc时 建立起了热平衡 但不稳定 温度略有升高 发热量Q1即大于散热量Q2 最终仍然发生热击穿 电场强度E c是发生热击穿的临界场强E c 介质中发热与散热平衡关系示意图45A B是与材料有关的常数 1 热击穿电压随环境温度升高而降低 2 热击穿电压大致不随介质的厚度变化 02 T BocAeU 1 温度不均匀的厚膜介质2 温度均匀薄膜介质1 20cdUe e为自然对数的底 U c随试样厚度的平方根而变化 33 热击穿电压46电击穿是介质在强电场作用下 被击发出自由电子 而引起电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量 若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的 能量 则电子继续被加速而积累起相当大的动能 足以在电介质内 部产生碰撞电离 形成电子雪崩现象 结果电导急剧上升 最后导致击穿 二 固体介质的电击穿电击穿取决于固体电介质中碰撞电离的一 种击穿形式 电场使电介质中积聚起足够数量和足够能量的自由电子 导致电介 质丧失绝缘性能 11 电击穿的本质E eeeeeee471 外加电场为E2 E c一部分传导电子的能量处于W2 W c之间 单位时间内这些电子取得的能量A始终大于失去的能量B 电 子被加速 碰撞晶格时产生电离 使处于导带的电子不断增加 电 流急剧上升 最终导致固体电介质击穿 2 外加电场为E1B而使晶格发生碰撞电离 产生新的传导电子 但因 电子能量大于W1的概率很低 所以传导电子不断增多的过程很难出现 固体电介质不会击穿 A B与W的关系E2 Ec E1晶格温度T为定值介电强度 处于临界状态 的E Ec c即为固体电介质的介电强度A 单位时间内这些电子取得的能量B 单 位时间内传导电子失去的能量E 电场强度W 电子本身能量T 晶格温 度2 电击穿的过程4833 击穿场强多发生在温度较低 电压作用时 间较短时 纯净 均匀固体电介质中 当电场上升到使平衡破坏时 碰撞电离过程便立即发生 把这一起始场强作为介质电击穿场强的理论即为本征击穿理论 A 本 征电击穿理论本征电击穿场强 随温度升高而降低 温度491 雪崩 电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定 数值 足以破坏介质绝缘状态 作为电击穿判据 2 Seitz提出以电子 崩 传递给介质的能量足以破坏介质晶体结 构作为击穿判据 B 雪崩 电击穿理论电击穿判据本征击穿理论中增加导电电子是 继稳态破坏后突然发生的 而 雪崩 击穿是考虑到高场强时 导 电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度 最终介质晶格破坏 雪崩 电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别50 四十代理 论 从阴极出发的电子 一方面进行 雪崩 倍增 另一方面向阳 极运动 由阴极出发的初始电子 在其向阳极运动的过程中 1cm内的电离次 数达到40次 介质便击穿 一般用来说明 雪崩 击穿的形成 并称之为 四十代理论 由 四十代理论 可以推断 当介质很薄时 碰撞电离不足以发展 到四十代 电子崩已进入阳极复合 此时介质不能击穿 即这时的 介质击穿场强将要提高 51在电场 温度等因素作用下 固体电介质因缓慢的化学变化 而 引起其电气性能逐渐劣化 最终由绝缘状态突变为良导体状态的过 程 三 电化学击穿包括两部分因固体电介质发生化学变化而引起的 电介质老化 与老化有关的击穿过程 22 电化学击穿过程11 电化学击穿本质电介质中强电场产生的电 流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应 521 直流电压下 固体电介质因离子电导而发生电解 结果在电极 附近形成导电的金属树状物 甚至从一个电