电介质的极化、电导与损耗

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1、电介质的极化、电导与损耗电介质的极化、电导与损耗电介质的极化电介质的极化 一、电介质的极性及分类一、电介质的极性及分类 偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为 d 的的两电荷（两电荷（+q，-q）所组成的系统称为偶极子。）所组成的系统称为偶极子。 偶极矩：表征偶极子性质的物理量。偶极矩的方向偶极矩：表征偶极子性质的物理量。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间的距离，即：负电荷间的距离，即： 偶极矩的单位：德拜（偶极矩的单位：德拜（D）；）； 当单位正、负电荷间距离为当单

2、位正、负电荷间距离为 10-10m时产生的偶极矩为时产生的偶极矩为1D： 离子键：正、负离子形成一个很大的键矩（偶极矩），离子键：正、负离子形成一个很大的键矩（偶极矩），因此它是一种强极性键，由它组成的分子为强极性分子。因此它是一种强极性键，由它组成的分子为强极性分子。极性分子和非极性分子极性分子和非极性分子原子原子结合成分子的方式（化学键）：结合成分子的方式（化学键）：离子键离子键 共价键共价键极性分子和非极性分子极性分子和非极性分子 共价键：共价键： 1、电负性相同的原子组成的共价键称为非极性共价键。、电负性相同的原子组成的共价键称为非极性共价键。电子云对称分布，键矩为零。由非极性共价键结

3、合的分子电子云对称分布，键矩为零。由非极性共价键结合的分子是是 非极性分子非极性分子。 2、电负性不同的原子组成的共价键是极性共价键。电、电负性不同的原子组成的共价键是极性共价键。电子云偏于电负性较大的原子一边，其键矩大于零。由一个子云偏于电负性较大的原子一边，其键矩大于零。由一个极性共价键组成的分子是极性共价键组成的分子是极性分子极性分子。极性分子和非极性分子极性分子和非极性分子由由两个或多个极性共价键组成的分子，如其结构对两个或多个极性共价键组成的分子，如其结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。 常见绝缘电介质：极性电介质（环氧树脂、蓖麻

4、油）和常见绝缘电介质：极性电介质（环氧树脂、蓖麻油）和非极性电介质（聚四氟乙烯、氮气等）非极性电介质（聚四氟乙烯、氮气等） 二、电介质的极化二、电介质的极化1、电介质的极化和相对介电常数、电介质的极化和相对介电常数电介质的极化现象电介质的极化现象真空中两极板之间的电容：真空中两极板之间的电容： 0：真空中的介电常数，：真空中的介电常数，8.854 10-14 F/cm 单位面积极板上的电荷（电荷密度）：单位面积极板上的电荷（电荷密度）：D：电位移矢量（电通量密度）：电位移矢量（电通量密度） 无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电+电介质

5、极化电介质极化 加上外电场后，电矩受力矩作用而发生转向，在介质左加上外电场后，电矩受力矩作用而发生转向，在介质左右两端面上出现极化电荷。右两端面上出现极化电荷。E外外+Q0U+自由电荷自由电荷极化电荷极化电荷+ 极板间插入固体介质后，在电场作用下电介质中带电极板间插入固体介质后，在电场作用下电介质中带电物质产生应变，电介质表面产生束缚电荷，把这种现象称物质产生应变，电介质表面产生束缚电荷，把这种现象称为电介质极化。为电介质极化。 Q+电介质发生极化后，极板间的电容量增为：电介质发生极化后，极板间的电容量增为： ：介质的：介质的介电常数介电常数此时，单位面积极板上的电荷为：此时，单位面积极板上的

6、电荷为：相对介电常数定义：相对介电常数定义：双层介质电场分布回顾双层介质电场分布回顾极化强度及其物理意义极化强度及其物理意义 在式在式令：令：中中P：极化强度：极化强度极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。 2、电介质极化种类、电介质极化种类（1）、电子位移极化）、电子位移极化（2）、离子位移极化）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化）、偶极子转向极化（4）、热离子极化）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化）、空间电荷极化 极化的基本形式：极化的基本形式： （1）、电子位移极化）、电子位移极化 当物质原子

7、里的电子轨道受到外电场当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，它将相的作用时，它将相对于原子核发生位移而形成极化。对于原子核发生位移而形成极化。e+ 1）、电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。）、电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。 2）、形成极化所需的时间极短（因电子质量极小），）、形成极化所需的时间极短（因电子质量极小），约约10-15，故其，故其 r不随频率变化；不随频率变化； 3）、它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷）、它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又会马上重合而整个呈现非极性，间的吸引力，作用中心又会马上重合而整个呈现非极性

8、，所以这种极化没有损耗。所以这种极化没有损耗。电子位移极化的特点电子位移极化的特点 温度对电子式极化影响不大；温度升高时介质略有膨胀，温度对电子式极化影响不大；温度升高时介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起单位体积内的分子数减少，引起 r略为下降，即略为下降，即 r具有不具有不大的负的温度系数。大的负的温度系数。温度对电子位移极化影响温度对电子位移极化影响 （2）、离子位移极化）、离子位移极化 离子位移极化：无外电场时，大量离子对的偶极矩互相离子位移极化：无外电场时，大量离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零，在外电场作用下，正、负离子抵消，故平均偶极矩为零，在外电场作用下，正、负离子

9、发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。 1）、离子位移极化存在于离子晶体中；）、离子位移极化存在于离子晶体中； 2）、形成极化所需的时间很短，约）、形成极化所需的时间很短，约10-12，故其，故其 r不随不随频率变化；频率变化； 3）、属于弹性极化，几乎极化没有损耗。）、属于弹性极化，几乎极化没有损耗。离子位移极化的特点离子位移极化的特点 1）、离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增）、离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增加加 2）、离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。）、离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。温度对

10、离子位移极化影响：两种因素温度对离子位移极化影响：两种因素前一种因素影响较大，所以其前一种因素影响较大，所以其 r一般具有正的温度系数。一般具有正的温度系数。 （3）、偶极子转向极化）、偶极子转向极化 偶极子转向极化：当没有外电场时，单个的偶极子虽然偶极子转向极化：当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，分布具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，分布非常混乱，对外的作用互相抵消，因此整个介质对外并不非常混乱，对外的作用互相抵消，因此整个介质对外并不呈现极性；而在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺呈现极性；而在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电

11、场定向排列，因而显示出极性。电场定向排列，因而显示出极性。 H2O.OHH+偶极子转向极化的特点：偶极子转向极化的特点： 1）、偶极子转向极化存在于极性介质中；）、偶极子转向极化存在于极性介质中； 2）、偶极子极化是非弹性极化，极化时要消耗的电场）、偶极子极化是非弹性极化，极化时要消耗的电场能量；能量； 3）、极化所需的时间较长，约）、极化所需的时间较长，约10-10-10-2s，故其，故其 r随频随频率变化；率变化；温度对偶极子转向极化的影响：温度对偶极子转向极化的影响： 1）、气体，随着温度的升高，）、气体，随着温度的升高， r减小；减小； 2）、液体和固体，低温下，）、液体和固体，低温下

12、， r随着温度的升高而升随着温度的升高而升高；高温下，高；高温下， r随着温度的升高而减小。随着温度的升高而减小。 （4）、夹层介质界面极化）、夹层介质界面极化 绝缘材料由不同成分组成，或介质不均匀，这种情况下绝缘材料由不同成分组成，或介质不均匀，这种情况下会产生会产生“夹层介质界面极化夹层介质界面极化”现象。这种极化的过程特别现象。这种极化的过程特别缓慢，而且伴随有能量损耗。缓慢，而且伴随有能量损耗。 （5）、空间电荷极化）、空间电荷极化 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，将在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹将在

13、电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹层介质界面极化现象一样都是缓慢进行的，所以假使加上层介质界面极化现象一样都是缓慢进行的，所以假使加上交变电场，则在低频至超低频阶段都有这种现象存在，而交变电场，则在低频至超低频阶段都有这种现象存在，而在高频时因离子来不及移动，就没有这种极化现象。在高频时因离子来不及移动，就没有这种极化现象。 3、讨论电介质极化的意义、讨论电介质极化的意义 （1）、选择用于电容器中的绝缘材料时，希望材料的）、选择用于电容器中的绝缘材料时，希望材料的 r大；绝缘结构则希望材料的大；绝缘结构则希望材料的 r小。小。 （2）、串联介质中场强）、串联介质中场强E的分布与的分

14、布与 r成反比，几种绝缘成反比，几种绝缘材料组合在一起使用，要注意各材料组合在一起使用，要注意各 r值的配合，值的配合， （3）、介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要）、介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素，而材料的介质损耗与极化类型有关。因素，而材料的介质损耗与极化类型有关。 （4）、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可）、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受潮情况。用来判断绝缘受潮情况。电介质电介质的电导的电导 （一）泄漏电流和绝缘电阻（一）泄漏电流和绝缘电阻 1、测试原理、测试原理 三电极系统、表面电流、体电流三电极系统、表面电流、体电流 先将先将S3闭

15、合，然后在很短的时间内断开，为什么？闭合，然后在很短的时间内断开，为什么？ 2、电流曲线、电流曲线 ic：电容电流：电容电流 ia：吸收电流：吸收电流 ig：泄漏电流：泄漏电流 通过泄漏电流可以求取绝缘电阻，体电阻通过泄漏电流可以求取绝缘电阻，体电阻RV。 注意区别体电阻注意区别体电阻RV和表面电阻和表面电阻RS。 表面电阻表面电阻RS测试电路测试电路 绝缘介质中泄漏电流产生的主要原因：离子导电，而不绝缘介质中泄漏电流产生的主要原因：离子导电，而不是电子导电。是电子导电。 绝缘电阻具有负温度系数。温度越高，参与漏导的离子绝缘电阻具有负温度系数。温度越高，参与漏导的离子（介质本身的或杂质的）越多

16、，则泄漏电流越大，所以绝（介质本身的或杂质的）越多，则泄漏电流越大，所以绝缘电阻具有负的温度系。缘电阻具有负的温度系。 表征绝缘电阻大小的物理量：表征绝缘电阻大小的物理量： 电阻率：电阻率： ；体电阻率；体电阻率 V，表面电阻率，表面电阻率 S 电导率：电导率： ； （二）液体电介质的电导（二）液体电介质的电导 液体介质中构成电导的主要因素：液体介质中构成电导的主要因素： （1）液体本身的分子和杂质的分子解离为离子，构成离）液体本身的分子和杂质的分子解离为离子，构成离子电导；子电导； （2）液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点，构成电泳电导。吸附电荷后，形成带电质点，构成电泳电导。纯净液体介质中电流纯净液体介质中电流I与外施电压与外施电压U的关系：的关系： 1、区域、区域a 电压和电流关系较符合欧姆定律，即这时液体介质具有电压和电流关系较符合欧姆定律，即这时液体介质具有一定的较高的体积电阻率。通常所说的液体介质电阻率都一定的较高的体积电阻率。通常所说的液体介质电阻率都是按这个范围来定义的。是按这个范围来定义的。