电介质以及其介电特性损耗

1、关于电介质及其介电特性损耗第一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月11. 极化的建立过程与介质损耗 2. 极化损耗的频率温度特性3. 柯尔-柯尔（Cole-Cole）圆图主要内容：电介质的损耗第二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月21. 极化的建立过程与介质损耗 极化建立都不是瞬时完成的，必须经过一定的时间。电子位移极化建立最快，约为10-1410-15秒。而与热运动有关的松弛极化建立则需要较长的时间，10-210-7秒。 因此，在介质上加以较高频率的电场时，往往仅有建立较快的位移极化，能够跟得上建立，介质的介电常数值将比在直流和工频电场下的值要低。 介质的介电常数，不仅与温度有

2、关，而且与加在介质上的电场频率密切相关。即第三张，PPT共二十四页，创作于2022年6月3 在极化建立过程中，相对于电场的滞后作用，会引起部分电能转化为热的效应介质损耗 在工程中以正弦电压作用下，通过介质的有功电流与无功电流之比，或有功损耗与无功功率之比，即介质损耗角正切（tan）来作为介质损耗的特性参数：I 在高频下，还可用复介电常数*（ * = -j ” ）的虚部”来表征介质损耗介质损耗因数 反映介质损耗的这些特征参数，都与极化的本质和极化建立过程密切相关。 极化的建立过程与介质损耗第四张，PPT共二十四页，创作于2022年6月4j极化的建立过程与介质损耗1. 1 介质极化过程中的电流 在

3、恒定电场作用下，均匀电介质中的电流 j：位移极化产生的瞬时电流 j松弛极化引起的松弛电流 ja+jc , 吸收电流电导电流 j ，贯穿电导损耗j第五张，PPT共二十四页，创作于2022年6月5 d具有直流条件下的最大值 介质的静态介电常数反映的是直流电场作用下的极化效应；当外加正弦交变电场时，介质的极化导致不同于静态的交流介电常数。如果某瞬时每个分子产生的感应偶极矩能够跟上电场的变化，则任一瞬时有：1.2 转向极化率随频率的变化 但有两个因素影响偶极子沿电场方向定向：（1）热运动使偶极子定向无序化。如气体分子碰撞，液体、固体中格点的无序振动。（2）分子间的强相互（粘滞）作用（特别在液体和固体中

4、）使分子的旋转不能立即跟上电场的变化。 极化的建立过程与介质损耗第六张，PPT共二十四页，创作于2022年6月6 因此，如果电场变化太快，结果使分子定向无序化。在高频下由于电场不能使介质产生感应偶极矩， d=0；在低频下偶极子能够跟上电场的变化，d 具有最大值。这表明d 随着电场频率的增加将从最大值减小致零。 当介质上施加直流场在t=0时刻，突然从E0降到E，则分子的感应偶极矩从d（0）E0降至d（0）E ，d（0）表示频率为零时的极化率。 这种感应偶极矩减少的松弛过程取决于分子的随机碰撞。极化的建立过程与介质损耗第七张，PPT共二十四页，创作于2022年6月7 假设分子间碰撞的平均时间为松弛

5、时间使每个分子感应偶极矩无序化所需的平均时间。 如果为瞬时感应偶极矩，则-d(0)E为剩余感应偶极矩，经过后即可消除。感应偶极矩随时间的变化率： 在交流电场下： 解方程可得： 其中： d()表示在交流电场作用下的极化率。该极化率为一复数，表明与E相位不同。（高频、低频讨论）极化的建立过程与介质损耗第八张，PPT共二十四页，创作于2022年6月8极化的建立过程与介质损耗1.3 介质损耗 如果单位体积的分子数为n0，则极化强度 P = n0 与E亦不同相。 将d（）代入普适方程可得到复相对介电常数： r与 r”均随频率变化。 =0， r= r(0); =, d=0, r= 1 r”在低频和高频下均

6、为0，当=1时出现峰值。 实部r 表示相对介电常数，可用于计算介质电容 虚部r”表示介质能量损失，即偶极子克服随机碰撞而定向第九张，PPT共二十四页，创作于2022年6月9极化的建立过程与介质损耗对上图模型及等效电路，可得导纳：可得介质的等效电容和电导：不产生有功损耗产生有功损耗第十张，PPT共二十四页，创作于2022年6月10总输入功率W：式中第二项是实数，表明介质中的功率损耗与r”有关，且当=1/时出现峰值。 由此可见，电场的储能速率取决于；而能量转化为分子碰撞的速率则取决于1/。 当=1/时，两过程以相同速率发生，因此能量转化为热最有效。 频谱中的r”峰值被称为松弛峰，在对应的频率下，偶

7、极松弛产生最大功率损耗。极化的建立过程与介质损耗第十一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月11得到单位体积介质的功率损耗： 单位体积介质的功率损耗或单位时间的能量损失以热的形式转化为分子的无序碰撞，受频率、场强和损耗角正切的影响。 在频率、介质介电常数和电场强度一定的情况下，tan可以表征介质损耗的大小。极化的建立过程与介质损耗在电容器的工程应用中， r一定时，往往希望r”最小，定义损耗角正切tan来表征其相对变化量：第十二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月12极化损耗的频率温度特性2. 极化损耗的频率温度特性第十三张，PPT共二十四页，创作于2022年6月132. 1 频率特性

8、（1）低频区 各种极化均来得及建立，介电常数与直流下s一致；损耗只有与频率无关的电导损耗，因而”、tan随频率增加而倒数式的下降。极化损耗的频率温度特性p第十四张，PPT共二十四页，创作于2022年6月14随变化最快，”出现最大值此时，p随变化亦最快。 极化损耗的频率温度特性（2）松弛区ptan出现最大值 第十五张，PPT共二十四页，创作于2022年6月15 单位体积的介质损耗p与介质损耗角正切tan及损耗因素”相互有关，但含义不同。 tan及”表征了介质在每一周期中的损耗，其频率关系与p不同。 在高频区的损耗通常远大于纯电导损耗。极化损耗的频率温度特性（3）高频区第十六张，PPT共二十四页，

9、创作于2022年6月16极化损耗的频率温度特性第十七张，PPT共二十四页，创作于2022年6月17介质松弛时间随温度的上升作指数式下降 ：2. 2 温度特性松弛极化来不及建立，它们对的贡献可忽略；如忽略低温下的电导损耗，损耗主要是松弛损耗。极化损耗的频率温度特性（1）低温区a第十八张，PPT共二十四页，创作于2022年6月18极化损耗的频率温度特性（2）松弛区b松弛极化对已有明显的贡献；但极化的建立较之电场的变化有明显的滞后现象，松弛损耗仍然存在；”、p、tan均出现峰值。第十九张，PPT共二十四页，创作于2022年6月19松弛极化建立较快，跟得上电场的变化。无明显的松弛性损耗，电导是损耗的主

10、要来源。”、p、tan随温度增加再次作指数式上升。 由于介电温谱比介电频谱测试方便，因而常被采用，许多极性介质都可测得上述的变化规律。 极化损耗的频率温度特性（3）高温区c 当测试介质温度谱的电场频率增高时，”、p、tan的峰值点向高温方向平移。第二十张，PPT共二十四页，创作于2022年6月20柯尔-柯尔（Cole-Cole）圆图3.柯尔-柯尔（Cole-Cole）圆图消去可得：柯尔-柯尔（Cole-Cole）圆图方程3.1 具有单一松弛时间第二十一张，PPT共二十四页，创作于2022年6月21从”最大值可得到松弛时间=1/柯尔-柯尔（Cole-Cole）圆图3.2 具有两个分离松弛时间第二十二张，PPT共二十四页，创作于2022年6月