无机材料物理性能无机材料物理性能2024年年9月月8日日第十三讲第十三讲1 损耗的形式损耗的形式 介质损耗的表示方法介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系介质损耗和频率、温度的关系 无机介质的损耗无机介质的损耗 7.2 7.2 介质损耗介质损耗无机材料的介电性能2 一、复介电常数与介质损耗•1、基本概念、基本概念•介质损耗：任何介质在电场作用下，或多或少会把部分电能转换成热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称介质损耗•常用tgδ来表示其值越大，损耗越大，δ为介质损耗角3 损耗如何产生的？•要有电流电流如何来的？•主要有以下三部分：•1）理想电容充放电形成的电流（电容电流）直流，交流•2）真实电介质极化建立的电流（极化电流）•3）真实电介质的漏导电流漏导电流）4 损耗的形式损耗的形式介质损耗介质损耗极化损耗：极化损耗：松弛极化、转向极化、空间电荷极化松弛极化、转向极化、空间电荷极化等在极化缓慢建立过程中会因克服阻等在极化缓慢建立过程中会因克服阻力而引起能量消耗，称力而引起能量消耗，称极化损耗极化损耗漏漏导导损损耗耗：：实实际际绝绝缘缘材材料料并并非非理理想想电电介介质质，，电电阻阻也也并并非非无无穷穷大大，，在在外外电电场场作作用用下下，，总总有有些些带带电电质质点点发发生生移移动动而而形形成成电电流流，，称称漏漏导导电电流流。
因因漏漏导导电电流流使使介介质质发发热热而而产产生生的的损损耗耗称称““漏导损耗漏导损耗””5 2、介质损耗的表示、介质损耗的表示当容量为当容量为C0= 0A/d的的平板电容器平板电容器上加一上加一交交变电压变电压U=U0eiwt则：则：1））对对真空平板电容器真空平板电容器，平板上的电荷为，平板上的电荷为：：产生的回路电流为产生的回路电流为：：6 介质损耗的表示介质损耗的表示电介质中电场与电流方向电介质中电场与电流方向的示意图的示意图7 2））在在电电容容器器极极板板间间填填充充相相对对介介电电常常数数为为εεr r的的理理想想介介电电材材料料时，电容上的电流为：时，电容上的电流为：8 介质损耗的表示介质损耗的表示3））对于实际电介质，除电容电流外，还会有极化对于实际电介质，除电容电流外，还会有极化电流或漏导电流，这两者形成一电流或漏导电流，这两者形成一电导分量电导分量，用，用GU表示G：电导：电导，G=1/R=A/d， 单位：西门子（S,Ω-1）其中，G=A/d， C=A/d带入上式并简化得：故有9 介质损耗的表示介质损耗的表示则即10 类似根据理想情况，按来定义复相对介电常数εr*或复介电常数ε*与前式比较有：11 故有即复介电常数复介电常数即复相对介电常数复相对介电常数12 •注意：此处要弄清实部、虚部的来源及含义。
•由式 知：•其中ωε代表了电容电流的大小；• σ代表了损耗电流的大小•类似，在ε*中，ε代表了电容项；• σ/ω代表了损耗项13 由此定义损耗角正切损耗角正切：更一般的更一般的表示表示：其中δ为损耗角损耗角14 3、介质弛豫与德拜方程、介质弛豫与德拜方程德拜德拜（Debye）公公式式15 二、影响介质损耗的因素二、影响介质损耗的因素1 1、频率的影响、频率的影响εr，，tgδ，，p与与ω的关系的关系16 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素不同带穿电导的介质不同带穿电导的介质tgδ与与ω的关系的关系17 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素2 2、温度的影响、温度的影响εεr r、、tgδtgδ、、P P与与T T的关系的关系18 介介质质吸吸潮潮后后，，介介电电常常数数会会增增加加，，但但比比电电导导的的增增加加要要慢慢，，由由于于电电导导损损耗耗增增大大以以及及松松驰驰极极化化损损耗耗增增加加，，而而使使tgδtgδ增大对对于于极极性性电电介介质质或或多多孔孔材材料料来来说说，，这这种种影影响响特特别别突突出出，，如如，，纸纸内内水水分分含含量量从从4 4％％增增加加到到1010％％时时，，其其tgδtgδ可可增加增加100100倍。
倍影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素19 无机介质的损耗无机介质的损耗无机材料的损耗形式主要有：无机材料的损耗形式主要有：§电导损耗电导损耗§松弛极化损耗松弛极化损耗§电离损耗电离损耗§结构损耗结构损耗20 电离损耗电离损耗电电离离损损耗耗主主要要发发生生在在含含有有气气相相的的材材料料中中含含有有气气孔孔的的固固体体介介质质在在外外电电场场强强度度超超过过了了气气孔孔内内气气体体电电离离所所需需要要的的电电场场强强度度时时，，由由于于气气体体电电离离而而吸吸收收能能量量，，造造成成损损耗耗，，即即电电离离损损耗耗其其损损耗耗功功率可以用下式近似计算：率可以用下式近似计算：U为外施加电压；为外施加电压；U0为气体的电离电压为气体的电离电压21 结构损耗结构损耗结结构构损损耗耗是是在在高高频频、、低低温温下下，，与与介介质质内内部部结结构构的的紧紧密密程程度度密密切切相相关关的的介介质质损损耗耗结结构构损损耗耗与与温温度度的的关关系系很很小小，，损损耗耗功功率率随随频频率率升升高高而而增增大大，，但但tgδtgδ则和频率无关则和频率无关一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在低温、高频下主要为结构损耗。
22 离子晶体的损耗离子晶体的损耗v离离子子晶晶体体可可以以分分为为结结构构紧紧密密的的晶晶体体和和结结构构不不紧紧密的离子晶体密的离子晶体v结结构构紧紧密密的的晶晶体体离离子子都都堆堆积积得得十十分分紧紧密密，，排排列列很有规则，离子键强度比较大，无极化损耗很有规则，离子键强度比较大，无极化损耗v结结构构不不紧紧密密的的离离子子晶晶体体的的内内部部有有较较大大的的空空隙隙或或晶晶格格畸畸变变，，含含有有缺缺陷陷或或较较多多的的杂杂质质，，离离子子的的活活动范围扩大，损耗较大动范围扩大，损耗较大23 玻璃的损耗玻璃的损耗复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗电导损耗、松弛损耗和结构损耗哪一种损耗占优势，决定于外界因素哪一种损耗占优势，决定于外界因素――――温度和外加电压的频率温度和外加电压的频率 24 玻璃的玻璃的tgδ与温度的关系与温度的关系1、结构损耗；、结构损耗； 2、松弛损耗、松弛损耗3、电导损耗；、电导损耗； 4、总、总 损损 耗耗25 Na2O－K2O－B2O3玻璃玻璃的的tgδ与组成的关系与组成的关系26 陶瓷材料的损耗陶瓷材料的损耗ü主主要要是是电电导导损损耗耗、、松松弛弛质质点点的的极极化化损损耗耗及及结结构构损耗。
损耗 ü表表面面气气孔孔吸吸附附水水分分、、油油污污及及灰灰尘尘等等造造成成表表面面电电导也会引起较大的损耗导也会引起较大的损耗ü大大多多数数电电工工陶陶瓷瓷的的离离子子松松弛弛极极化化损损耗耗较较大大，，主主要要原原因因是是：：主主晶晶相相结结构构松松散散，，生生成成了了缺缺陷陷固固溶溶体，多晶形转变等体，多晶形转变等27 降低材料的介质损耗的方法降低材料的介质损耗的方法Ø选择合适的主晶相选择合适的主晶相Ø改改善善主主晶晶相相性性能能时时，，尽尽量量避避免免产产生生缺缺位位固固溶溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体Ø尽量减少玻璃相尽量减少玻璃相Ø防止产生多晶转变防止产生多晶转变Ø注意焙烧气氛注意焙烧气氛Ø控制好最终烧结温度控制好最终烧结温度28 讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义v绝缘结构设计时必须注意到绝缘材料的绝缘结构设计时必须注意到绝缘材料的tgδtgδ v用用于于冲冲击击测测量量的的连连接接电电缆缆，，其其绝绝缘缘的的tgδtgδ必必须须很小很小v在在绝绝缘缘预预防防性性试试验验中中，，tgδtgδ是是一一项项基基本本测测试试项项目，当目，当绝缘受潮或劣化绝缘受潮或劣化时，时，tgδtgδ急剧上升。
急剧上升v介质损耗引起的发热有时也可以利用介质损耗引起的发热有时也可以利用29 30 。