电介质的极化、电导和损耗

第1章电介质的极化、电导和损耗1.1电介质的极化1.2电介质的介电常数1.3电介质的电导1.4电介质中的能量损耗1.1电介质的极化电介质极化有四种基本类型电介质：在其中可建立稳定电场而几乎没有电流通过的物质。极化：在外电场作用下，电介质内部产生宏观不为零的电偶极矩。电子位移极化；离子位移极化；转向极化；空间电荷极化。1、电子位移极化：电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负电电子构成。感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩为零，对外不显现极性。感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电子方向反方向移动，达到平衡后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。

E电子位移极化特点：时间：完成时间极短，约为10-14~10-15s；能量损耗：电子位移极化不引起能量损耗；温度：电子位移极化与温度无关，温度的变化只是通过介质密度才影响到电子位移极化率。频率：电子位移极化基本与频率无关。2、离子位移极化：由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。E离子位移极化特点：时间：完成时间短,约为10-12~10-13s；能量损耗：有极微量的能量损耗；温度：随温度的升高而略有增大；

频率：极化与频率无关。温度↑→离子位移极化↑→离子间作用力↓3、转向极化：极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中心的不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。由于分子的不规则热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。E转向极化特点：时间：完成时间较长，约为10-6~10-2s；能量损耗：有很小的能量损耗；与频率、温度相关。4、空间电荷极化（非弹性，与前三种有所区别）：大多数绝缘结构中，电介质往往是层式结构，电介质也可能存在某种晶格缺陷。在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极化。空间电荷极化特点：时间：缓慢；能量损耗：有。以最简单的双层介质为例：设开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容值大小决定。为整个介电质的等值电容与分界面上堆积电荷数为到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。为整个介电质的等值电容与分界面上堆积电荷数为各种极化方式的比较极化种类产生场合产生原因所需时间能量损耗电子位移极化任何电介质束缚电子运行轨道偏移10-15s无离子位移极化离子式结构电介质离子的相对偏移10-13s几乎没有转向极化极性电介质固有偶极矩的定向排列s10-6～10-2s小空间电荷极化多层介质的交界面自由电荷在层间的堆积10-2s～数小时有1.2电介质的介电常数介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介质的极化程度（对电荷束缚的能力）。介质中真空中电位移矢量场强矢量真空的介电常数相对介电常数1、气体电介质的相对介电常数：相对介电常数大小：由于气体物质分子间的距离相对较大，气体的极化率就很小，故一切气体的相对介电常数都接近于1。影响因素：温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小；压力：随压力的增大而增大。但以上的影响程度都很小。2、液体电介质的相对介电常数：①中性液体介质：代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。大小：不大，其值在1.8~2.8范围内。②极性液体介质：代表介质：蓖麻油、乙醇、水等。大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。影响因素：温度：温度↑→分子间黏附力↓→转向极化↑→介电常数↑温度过高→分子热运动↑→极性分子定向排列↓→转向极化↓→介电常数↓频率：频率较低时→偶极分子来得及跟随电场交变转向→介电常数较大，接近直流情况下的频率超过临界值→偶极分子转向跟不上电场的变化→介电常数开始减小→介电常数最终接近于仅由电子位移极化引起的介电常数值3、固体电介质的相对介电常数：①中性液体介质：代表介质：石蜡、硫磺等。大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。②极性液体介质：代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。大小：相对介电常数都比较大，一般为3~6。4、电介质介电常数的应用：导线绝缘：采用介电常数小的电介质；电容器：采用介电常数大的电介质。1.3

电介质的电导任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电导大小的物理量是电导率（或电阻率）。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。由电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的。分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。分子发生热离解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。气体：液体：固体：1、气体电介质的电导：

ⅠⅡⅢ电流密度Ⅱ区：进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流密度趋于饱和，但其值仍然很微小。此区域电导也是很小的，称为饱和区。Ⅰ区：气体中即使没有电场也有一定离子浓度，存在电场时，离子加速，形成很小的电流密度，此时电导很小。因近似有，故称为线性区。Ⅲ区：气体发生撞击电离，使迅速增大，电导迅速增大。当时，气隙被击穿，故称为击穿区。2、液体电介质的电导：①中性液体介质：中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子引起，电导较小。②极性液体介质：极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。强极性液体介质（如水、酒精等），即使高度净化，电导率还是很大，以至于其不能看作电介质，而是离子式导电液。影响因素：温度：电导率与温度的关系：电场强度：温度↑→液体介质黏度↓→离子迁移率↑→电导↑温度↑→介质分子热离解度↑→电导↑电流密度和电场强度的关系与气体介质类似，但饱和过程一般观察不到。3、固体电介质的电导：①中性固体介质：电导主要由杂质引起，电导较小。②离子式结构的固体介质：电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的。影响因素：温度：类似于液体电介质。电场强度：类似于液体电介质。杂质：杂质对电导率的影响很大。

固体介质除体积电导外，还存在表面电导。1.4

电介质中的能量损耗1、介质损耗的基本概念：介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质损耗。电介质的等效电路：电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性；阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。计算用等值电路：单位体积介质的损耗功率电介质的损耗角介质损耗因数工程上常用表征介质的品质2、介质损耗因数的意义：若

过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。用于冲击测量的连接电缆，要求

必须要小，否则会影响测量精度。用做绝缘材料的介质，希望

小。在其他场合，可利用

引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。在绝缘试验中，

的测量是一项基本测试项目。3、气体介质的损耗：当场强小于气体分子电离