修改版电介质极化与介电常数PPT.ppt

1、电气绝缘性质：1：导电性（电阻率或电导率）：加压后有微小电流导通：希望能保持住电压 2：绝缘击穿（击穿电压或击穿场强）：达到某电压时电流急剧增大，绝缘体变成导体 电介质性质： 3：介质极化（相对介电常数）：介质在电场中电荷中心重新分布，对外显电性 4：介电损耗（介质损耗角或其正切tg）：达当施加交流电压时，物质内部电荷往复运动、吸收电源能量、发热,前言1：绝缘体的四大性质,前言2：电介质介电常数对电场分布的影响,前言3：电介质物质结构的基本形式,形成分子和聚集态的各种健： 离子健 共价键 分子健 电介质的分类：根据化学结构分为3类 非极性及弱极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质,离子结构电介

2、质 (岩盐),NaCl,共价键 +,中性共价键 极性共价键 H + = H,第一大性质： 电介质的极化及介电常数,平板真空电容器电容量：,插入固体电解质后电容量：,相对介电常数：,相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量, 由电介质极化引起的 束缚电荷,一、极化现象,电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作用电介质内部物理结构发生变化，结果导致电介质内部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显现电性。这个过程称作极化,一、极化现象,1：电偶极子(dipole)：相距很近的两个极性相反量值相等的电荷：对外产生电场 2：电偶极距：pqd:表示电偶极子的特性 3：极化强度：单位体积内的电偶

3、极距：P。 4：极化：电介质在电场中产生电偶极子并使其方向与外电场方向一致、或使原来就有的电偶极子转向与外电场方向一致,二、极化概念,1：电子位移极化 2：离子位移极化 3：转向极化 4：空间电荷极化（包括夹层介质界面极化）,三、极化类型,当物质原子里的电子轨道受到外电场 E 的作用时，其负电荷作用中心相对于原子核产生位移，形成电矩，称电子的位移极化。,特点： 1、范围：一切气体、液体及固体介质中 2、能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗 3、与频率关系：极化速度快，10-14-10-15秒， 在各种频率的交变电场下均能产

4、生，与频率无关 4、与温度关系：无关 5、与场强关系：极化强度与电矩的大小成正比,极化机理：,1：电子位移极化,在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化,极化机理：,2：离子位移极化,1、范围：由离子键构成的电介质中 2、能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗 3、与频率关系：极化完成时间约为 l0-12-10-13s，当交变电场的频率低于红外线光频率，离子位移极化与频率无关 4、与温度关系：温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降

5、低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程度降低。通常前一种因素影响较大 5、与场强关系：极化程度与电场强度成正比,2：离子位移极化,特点：,在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子（电偶极子）顺电场方向定向排列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化,极化机理：,3：转向极化,1、范围：极性分子构成的电介质 2、能耗：分子转向存在摩擦，有明显能量损耗 3、与频率关系：极化完成时间约为 l0-6-10-2s，甚至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小 4、与温度关系：与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。对于液体、

6、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系紧(例如粘度很大)，分子难以转向极化较弱。所以极性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小 5、与场强关系：与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就越整齐，转向极化就越强,3：转向极化,特点：,高电压设备的绝 缘由几种不同的材料组成，或介质不均匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。,合闸时： 稳态时：,当： 则：,存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面出现电荷堆积，从而对外显电性,极化机理：,4：夹层极化,1、范围：出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器等复合

7、绝缘中 2、能耗：电流流过电导，有能量损耗 3、与频率关系：只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成时间从几十分之秒到儿分钟，甚至有长达几小时的。 4、与温度关系：温度影响电导率 5、与场强关系：空间电荷与电压大小有关,4：夹层极化,特点：,极化机理：正负离子移动 适用范围：含离子和杂质离子的介质 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在：极化建立时间很长） 温度（有关） 消耗能量：非弹性；有能耗,5：空间电荷极化,四、典型电介质的介电常数,1、选择绝缘： 电容器 大 电容器单位容量体积和重可减少 电缆 小 可使电缆工作时充电电流减

8、小 电机定子线圈槽出口和套管 小,可提高沿面放电电压 2、多层介质的合理配合：电场分布与 成反比 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理 3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因 4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁 5、研发新型绝缘材料,五、谈论介电常数的意义,电介质极化应用实例：平行平板电极间距离为2 cm，在电极上施加55 kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 cm的聚乙烯板（r=2.3）时，问此时会发生间隙击穿现象否？为什么？并请

9、计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。,解：a：空气；s：塑料介质 (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm (2)插入后：Vs/Va= a/ s，得Va=2.3Vs V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Es=16.7 kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV) Ea=38.3 kV/cm30 kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿，然后聚乙烯板也被击穿,课堂作业：p14页16后一问,气体电介质的介电常数 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1

10、。 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小。,液体电介质的介电常数 非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都不大，其值在1.82.8范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似 偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在380范围，能用作绝缘介质的r值在36左右。此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用,固体电介质的介电常数 非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常