固体电介质的极化与损耗

关于固体电介质的极化与损耗

电介质的介电常数也称为电容率，是描述电介质极化的宏观参数。电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受到温度、外加电场频率等因素的影响。

3.1.1固体电介质的介电常数

电介质的相对介电常数为

式中，D、E——分别为电介质中电通量密度、宏观电场强度。(3-1)第2页,共19页，2024年2月25日，星期天平板电容器的介电常数图3-1平板电容器中的电荷和电场分布(a)真空(b)充以介质——电荷面密度极板间真空中的电场强度(3-2)视频链接第3页,共19页，2024年2月25日，星期天真空电容器的电容量为

当极板间充以均匀各向同性的电介质时（见图3-1(b)），在电场作用下电介质产生极化，极板上自由电荷面密度应为

(3-3)(3-4)第4页,共19页，2024年2月25日，星期天

充以电介质后电容器的电容量为

显然，极板间充以电介质后，由于电介质的极化使电容器的电容量比真空时增加了，因此，可以用充以介质后电容量的变化来描述电介质极化的性能。(3-5)第5页,共19页，2024年2月25日，星期天

电容器充以某电介质时的电容量C与真空时电容量C0的比值为该介质的相对介电常数，即

是一个相对的量，叫做相对介电常数，是大于1的常数。(3-6)第6页,共19页，2024年2月25日，星期天

根据电介质极化强度P的定义，当电介质中每个分子在电场方向的感应偶极矩为时，则有

式中，N——电介质单位体积中的分子数。

若作用于分子的有效电场强度为，则分子的感应偶极矩可以认为与成正比，即

式中，比例常数称为分子极化率，在SI单位制中的单位为。(3-8)(3-9)第7页,共19页，2024年2月25日，星期天

于是根据式（3-8）和式（3-9），可得电介质极化的宏、微观参数的关系为

亦可写成

上式建立了电介质极化的宏观参数与分子微观参数的关系。一般来说，作用于分子上的电场强度不等于介质中的宏观平均电场强度E，称Ei为电介质的有效电场或内电场。式（3-11）又称为克劳休斯（Clausius）方程。(3-10)(3-11)第8页,共19页，2024年2月25日，星期天1.非极性固体电介质

这类介质在外电场作用下，按其物质结构只能发生电子位移极化，其极化率为。

如不考虑聚合物微观结构的不均匀性（高分子聚合物中晶态和非晶态并存）和晶体介质介电常数的各向异性，非极性固体介质的有效电场（莫索缔有效电场），介电常数与极化率的关系符合克—莫方程。第9页,共19页，2024年2月25日，星期天2.极性固体电介质

极性固体电介质在外电场作用下，除了发生电子位移极化外，还有极性分子的转向极化。由于转向极化的贡献，使介电常数明显地与温度有关。返回第10页,共19页，2024年2月25日，星期天3.1.2固体电介质的损耗

在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质损耗。

在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质损耗。第11页,共19页，2024年2月25日，星期天图3-2介质损耗角δ示意图

绝缘材料的介质损耗角正切就是损耗角δ的正切值，可直接用tanδ表示。绝缘材料的损耗角δ是在其上的外施电压与由此产生的电流之间的相位差的余角。

它是由介质电导以及介质极化的滞后效应所引起的。如图3-2所示第12页,共19页，2024年2月25日，星期天根据电流电压的相量关系，可得到复介电常数。

绝缘材料的损耗指数等于该材料的tan

与相对介电常数的乘积，即由上述关系得(3-15)(3-13)(3-14)第13页,共19页，2024年2月25日，星期天1.固体无机电介质

普通的无机晶体介质，如氯化钠(NaCl)、石英和云母等，它们只有位移极化，其介质损耗主要来源于电导，tanδ与直流电导率的关系为（1）无机晶体

(3-16)第14页,共19页，2024年2月25日，星期天（2）无机玻璃

玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。

它们与温度的关系如图3-3所示。结构损耗与玻璃结构的紧密程度有关，结构愈松，结构损耗一般愈大。图3-3玻璃tanδ与温度的关系1-电导损耗2-松弛损耗

3-结构损耗4-总介质损耗第15页,共19页，2024年2月25日，星期天（3）陶瓷介质

陶瓷可以分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构，其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，tanδ相当大。

第二类是由大量的微晶晶粒所组成，仅含有极少量或不含玻璃相，通常结晶相结构紧密，tanδ

比第一类陶瓷小得多。第16页,共19页，2024年2月25日，星期天2.固体有机电介质

非极性有机介质，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蜡、地蜡等。它们既没有弱联系离子，也不含极性基团，因此在外电场作用下只有电子位移极化，其介质损耗主要是由杂质电导引起的。这类介质的电导率一般很小，所以相应的tanδ值也很小，被广泛用作工频和高频绝缘材料。第17页,共19页，2024年2月25日，星期天

极性有机介质，如含有极性基的有机介质及天然纤维等，它们的分子量一般较大，分子间相互联系的阻碍作用较强，因此除非在高温之下，整个极性分子的转向难以建立，转向极化只可