电介质基本物理知识

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1、第一章电介质基本物理知识电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损 耗和击穿。在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。目前，对这些电介质 物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还 有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作 经验来进行解释和判断。第一节 电介质的极化一、 极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不 呈现极性的。当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体 可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失 都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方

2、式称为 松弛极化。电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。（一）电子极化电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为10 15 S。它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。（二）原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电 场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。离 子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉 开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形 成正负电荷距离。原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密

3、联系的。因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随 电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原， 所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为10 _13 S。（三）偶极子转向极化电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它 的正负电荷作用中心不重合。当无电场作用时，它们的分布是混乱的， 宏观的看，电介质不呈现极性。在电场作用下，这些偶极子顺电场方向 扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。 整个电介质也形成了带正电和带负电的两级。这类极化受分子热运动的 影响也很大。偶极松弛极化的电介质有胶木、橡胶、纤维素等，极化为

4、 非弹性的，极化时间约为10 _10-10 _2 S。（四）空间电荷极化介质内的正负自由离子在电场作用下，改变其分布状况，在电极附 近形成空间电荷，称为空间电荷极化，其极化过程缓慢。（五）夹层介质界面极化由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，叫做夹层电介质。由于各层中的介电常数和电导率不同，在电场作用之下，各层中的电位， 最初按介电常数分布（即按电容分布），以后逐渐过滤到电导率分布（即按 电阻分布）。此时，在各层电介质的交界面上的电荷必然移动，以适应电 位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷。这种电荷移动和积累，就 是一个极化过程。上述电介质的五种极化形式，从施加电场开始，到极化完成为止，

5、都需要一定的时间，这个时间有长有短。属于弹性极化的，极化建立所 需的世间都很短，不超过10 _12 S。属于松弛极化的，极化时间都较长， 在10 -10-10_2s以上。夹层极化则时间更长，在10_1 s以上，甚至以小时 计。弹性极化在极化过程中不消耗能量，因此不产生损耗。而松弛极化 则要消耗能量，并产生损耗。二、 电介质极化在工程实践中的意义（一）增大电容器的电容量当电极中为真空时，在电场的作用下，极板上的电荷量为Q0,极 板间的电容C = Q0 =竺。其中C :真空中的电容；Q0 :真空中极0 U d0板上的电荷量； 0:真空中介电常数，8 0=8.86*10-14 F/cm ； S:极板

6、 面积；d :极板距离。当电极间放入电介质后，在靠近电极的电介质表面形成束缚电荷QI，它将从电源吸引一部分额外电荷来“中和”使极板上存储的电荷 增加,因此极板间的电容为C= Q+Q1 = 1S。上两式相除有 =三=8， U dC e r00e 称为介质相对介电常数，通常用来表示介质的介电特性。因此，在保持电极间电压不变的情况下，相对介电常数还代表将介 质引入极板间后使电极上储存的电荷量增加的倍数，即极板间电容量 比真空时增加的倍数。所以，在一定的几何尺寸下，为了获得更大的电容量，就要选用相 对介电常数（w ）大的电介质。例如，在电力电容器的制造中，以合成 r 液体（ w 约为 35）代替由石油

7、制成的电容器油（ w =2.2），这样就 rr 可增大电容量或减小电容器的体积和质量。（二）绝缘的吸收现象当在电介质上加直流电压时，初始瞬间电流很大，以后在一定时间 内逐渐衰减，最后稳定下来。电流变化的这三个阶段表现了不同的物 理现象。初始瞬间电流是由电介质的弹性极化所决定的，东西极化建 立的时间很快，电荷移动迅速，所呈现的电流就很大，持续的时间也 很短，这一电流称为电容电流（ i ）。接着随时间缓慢衰减的电流，是 C 由电介质的夹层极化和松弛极化所引起的，它们建立的时间越长，则 这一电流衰减也缓慢，直至松弛极化完成，这一过程称为吸收现象， 这个电流称为吸收电流（ i ）。最后不随时间变化的稳

8、定电流，是由电 a 介质的电导所决定的，称为电导电流（ I ）,它是电介质直流试验时的 g 泄漏电流的同义语。吸收现象在夹层极化中表现得特别明显。如发电 机和油纸电缆都是多层绝缘，属于夹层极化，吸收电流衰减的时间都 很长。中小型变压器的吸收现象要弱些。绝缘子是单一的绝缘结构， 松弛极化很弱，所以基本上不呈现吸收现象。由于夹层绝缘的吸收电流随时间变化非常明显，所以在实际测试工作中利用这一特性来判断绝缘的状态。吸收电流 i 随时间变化规律，a用i =UC D n式中u：施加电压；C :被试品电容；t:时间；D、a X t Xn :均为常数。在t等于零及t趋近与零时都不适用，但在工程上应用 还是可以

9、的。吸收电流 i 是随时间按冥函数衰减的，如将此式两端取a对数，则得ig i = iguc D-nigt即吸收电流的对数与时间的对数成一下 aX降直线关系，n为该直线的斜率。由于吸收电流随时间变化，适用在测试绝缘电阻和泄漏电流时都要 规定时间。例如在现行电气设备交接和预防性试验的有关标准中，利 用60s及15s时的绝缘电阻比值（即R60/R15），1min或10min的 泄漏电流等，作为判断绝缘受潮程度或脏污状况的一个指标。绝缘受 潮或脏污后，泄漏电流增加，吸收现象就不明显了。（三）电介质的电容电流好介质损耗前面所述的是电介质在直流电场中的情况。如把电介质放在交变 电场中，电介质也要极化，而且

10、随着电场方向的改变，极化也跟着不 断改变它的方向。对于50hz的工频交变电场来说，弹性极化完全能够跟上交变电场 变化。当电场从零按正弦规律变到最大值时，极化也从零按正弦规律变 到最大，经过半周期后又同样沿负的方向变化。偶极子随电场变化既然 电距是按正弦规律变化,则电流i 定按余弦规律变化（i = dI ）。在0-nCC dt2期间，电距i是增加的，dL为正；在n时i为零；在n-n期间i为负。dt2 C2C因此，电流i超前外施电压u为90,这就是电介质中的电容电流。C在0-n期间，电荷移动的方向与电场的方向相同，即电场对移动2中的电荷做功，或者说电荷获得动能，相当于“加热”。当n-n期间，2电场

11、的方向未变，但电荷移动的方向与电场相反，这时电荷反抗电场做 功，丧失自己的动能而“冷却”在0n半周中，“加热”和“冷却” 正好相等。，因此电介质中没有损耗。这就是说，在交变电场中，弹性极 化只引起纯电容电流，而不产生损耗。松弛极化则要产生损耗，这将在电介质损耗一节中讨论。第二节 电介质的电导与性能一、 电介质的电导 从电导机理来看，电介质的电导可分为离子电导和电子电导 。离子电导 时以离子为载流体，而电子电导时以自由电子为载流体。理想的电介质是 不含带电质点的，更没有自由电质。但实际工程上所用的电介质或多或少 总含有一些带电质点（主要是杂质离子），这些离子与电介质分子联系非 常弱，甚至成自由状

12、态；有些电介质在电场或外界因素影响下（如紫外线 辐射），本身就会离解成正负离子。它们在电场作用下，沿电场方向移动， 形成了电导电流，这就是离子电导。电介质中的自由离子，则主要是在高 电场作用下，离子与电介质分子碰撞、游离激发出来的，这些电子在电场 作用下移动，形成电子电导电流。当电介质中出现电子电导电流时，就表 明电介质已经被击穿，因而不能再作绝缘体使用。因此，一般说电介质的 电导都是指离子性电导。二、电介质的性能()电介质的电导率和电阻率电介质的性能常用电导率y或电阻率p来表示，电导率为电阻率的倒数，即y =1。固体电介质除了通过电介质内部的电导电流Iv外，还有沿介质表面p流过的电导电流Ig

13、。由电介质内部电导电流所决定的电阻称为体积电阻Rv , 其电阻率为P。由表面电导电流I g决定的电阻，称为表2v面电阻R，其电阻率为p。气体和液体电介质只有体积gg电阻。体积电阻率，就是在边长1cm的正方型的电介质中， 所测得其两相对面之间的电阻。设在正极1和负极2间 的电介质的厚度为d(cm),电极截面为S(cm)。3为 屏蔽电极，利用它可以排除表面电流，以准确测得内部 的电导电流I。如测得电介质的体积电阻为R( )，则体积电阻率为pvVv(O.cm )为p = R *S体积电导率就是电阻率的倒数丫 =丄二丄*d =G dv V dv p Rs v svv式中G体积电导。v表明电阻率就是在每

14、边长为丨的正方形表面 积上，其两相对边之间量得的电阻。设电介质 表面两级对边之间距离为d (cm),电极的长度 为l(cm),测得的表面电阻为R ( 人则表表面电阻的测量團s面电阻率p( )为p = R L。sss d表面电导率丫( S )为表面电阻率的倒数，即y二丄*d =G *d式中G :表ss p 1s 1s面电导。正常情况下，气体为极好的电介质，电导非常小。如给气体加以不同的 电压，则其电流密度与外施电场强度的关系外施场强低于 E2 时，气体电 介质中的电流仍极小极小。在极小场强时，气体中的电流密度 j 大致他外 施场强成正比，基本上符合欧姆定律，如j二丫 E式中丫 ：电导率；E:电场

15、 强度。但场强稍微增大时，电流达到饱和状态，不在随外施场强而上升。 这是因为在此阶段电流全取决于外界游离因子（如辐射等）引起的气体电 介质电离而出现的带电粒子。只有当外施场强显著提高，电介质进入电子 碰撞游离阶段，如大于 E2 时，则由于碰撞电离，才使带电粒子急剧增多， 即气体电介质已接近击穿了。E1_E2 的饱和段比较宽，气体电介质在工程应用上总是处于饱和条件下，电离密度不随电场强度变化，电导率就没有意义。又由于气体的电导很小，故只要气体的工作场强低于游离场强，就不考虑气体的电导。四、 液体液体介质中形成电导电流的带电质点主要有两种，一种时电介质分子或 杂质分子离解而成的离子；另一种是较大的胶体（如绝缘油中的悬浮物） 带电质点。前者叫做离子电导，后这叫做电泳电导。二者只是带电质点大 小上的差别，其导电性质时一样的。中性和弱极性的液体电介质，其分子 的离解度小。介电常数大的极性和强极性液体电介质的离解作用是很强 的，液体中的离子数多，电导率就大。因此，极性和强极性（如水、醇类 等）的液体，在一般情况下，不能用作绝缘材料。工程上常用的液体电介质，如变压器油、漆和树脂以及它们的溶剂（如四氯化碳、苯等），搜属 于中性和弱极性。这些电介质在很纯净的情况下，其电导率是很小的。但 工程上通常用的液体电介质难免含有杂质，这样就会增大其电导率。