電介質(zhì)以及其介電特性損耗

1、關(guān)于電介質(zhì)及其介電特性損耗第一張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11. 極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗 2. 極化損耗的頻率溫度特性3. 柯?tīng)?柯?tīng)枺–ole-Cole）圓圖主要內(nèi)容：電介質(zhì)的損耗第二張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月21. 極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗 極化建立都不是瞬時(shí)完成的，必須經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間。電子位移極化建立最快，約為10-1410-15秒。而與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的松弛極化建立則需要較長(zhǎng)的時(shí)間，10-210-7秒。 因此，在介質(zhì)上加以較高頻率的電場(chǎng)時(shí)，往往僅有建立較快的位移極化，能夠跟得上建立，介質(zhì)的介電常數(shù)值將比在直流和工頻電場(chǎng)下的值要低。 介質(zhì)的介電常數(shù)，不僅與溫度有

2、關(guān)，而且與加在介質(zhì)上的電場(chǎng)頻率密切相關(guān)。即第三張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 在極化建立過(guò)程中，相對(duì)于電場(chǎng)的滯后作用，會(huì)引起部分電能轉(zhuǎn)化為熱的效應(yīng)介質(zhì)損耗 在工程中以正弦電壓作用下，通過(guò)介質(zhì)的有功電流與無(wú)功電流之比，或有功損耗與無(wú)功功率之比，即介質(zhì)損耗角正切（tan）來(lái)作為介質(zhì)損耗的特性參數(shù)：I 在高頻下，還可用復(fù)介電常數(shù)*（ * = -j ” ）的虛部”來(lái)表征介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗因數(shù) 反映介質(zhì)損耗的這些特征參數(shù)，都與極化的本質(zhì)和極化建立過(guò)程密切相關(guān)。 極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗第四張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4j極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗1. 1 介質(zhì)極化過(guò)程中的電流 在

3、恒定電場(chǎng)作用下，均勻電介質(zhì)中的電流 j：位移極化產(chǎn)生的瞬時(shí)電流 j松弛極化引起的松弛電流 ja+jc , 吸收電流電導(dǎo)電流 j ，貫穿電導(dǎo)損耗j第五張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5 d具有直流條件下的最大值 介質(zhì)的靜態(tài)介電常數(shù)反映的是直流電場(chǎng)作用下的極化效應(yīng)；當(dāng)外加正弦交變電場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)的極化導(dǎo)致不同于靜態(tài)的交流介電常數(shù)。如果某瞬時(shí)每個(gè)分子產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩能夠跟上電場(chǎng)的變化，則任一瞬時(shí)有：1.2 轉(zhuǎn)向極化率隨頻率的變化 但有兩個(gè)因素影響偶極子沿電場(chǎng)方向定向：（1）熱運(yùn)動(dòng)使偶極子定向無(wú)序化。如氣體分子碰撞，液體、固體中格點(diǎn)的無(wú)序振動(dòng)。（2）分子間的強(qiáng)相互（粘滯）作用（特別在液體和固體中

4、）使分子的旋轉(zhuǎn)不能立即跟上電場(chǎng)的變化。 極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗第六張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6 因此，如果電場(chǎng)變化太快，結(jié)果使分子定向無(wú)序化。在高頻下由于電場(chǎng)不能使介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩， d=0；在低頻下偶極子能夠跟上電場(chǎng)的變化，d 具有最大值。這表明d 隨著電場(chǎng)頻率的增加將從最大值減小致零。 當(dāng)介質(zhì)上施加直流場(chǎng)在t=0時(shí)刻，突然從E0降到E，則分子的感應(yīng)偶極矩從d（0）E0降至d（0）E ，d（0）表示頻率為零時(shí)的極化率。 這種感應(yīng)偶極矩減少的松弛過(guò)程取決于分子的隨機(jī)碰撞。極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗第七張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月7 假設(shè)分子間碰撞的平均時(shí)間為松弛

5、時(shí)間使每個(gè)分子感應(yīng)偶極矩?zé)o序化所需的平均時(shí)間。 如果為瞬時(shí)感應(yīng)偶極矩，則-d(0)E為剩余感應(yīng)偶極矩，經(jīng)過(guò)后即可消除。感應(yīng)偶極矩隨時(shí)間的變化率： 在交流電場(chǎng)下： 解方程可得： 其中： d()表示在交流電場(chǎng)作用下的極化率。該極化率為一復(fù)數(shù)，表明與E相位不同。（高頻、低頻討論）極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗第八張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗1.3 介質(zhì)損耗 如果單位體積的分子數(shù)為n0，則極化強(qiáng)度 P = n0 與E亦不同相。 將d（）代入普適方程可得到復(fù)相對(duì)介電常數(shù)： r與 r”均隨頻率變化。 =0， r= r(0); =, d=0, r= 1 r”在低頻和高頻下均

6、為0，當(dāng)=1時(shí)出現(xiàn)峰值。 實(shí)部r 表示相對(duì)介電常數(shù)，可用于計(jì)算介質(zhì)電容 虛部r”表示介質(zhì)能量損失，即偶極子克服隨機(jī)碰撞而定向第九張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗對(duì)上圖模型及等效電路，可得導(dǎo)納：可得介質(zhì)的等效電容和電導(dǎo)：不產(chǎn)生有功損耗產(chǎn)生有功損耗第十張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10總輸入功率W：式中第二項(xiàng)是實(shí)數(shù)，表明介質(zhì)中的功率損耗與r”有關(guān)，且當(dāng)=1/時(shí)出現(xiàn)峰值。 由此可見(jiàn)，電場(chǎng)的儲(chǔ)能速率取決于；而能量轉(zhuǎn)化為分子碰撞的速率則取決于1/。 當(dāng)=1/時(shí)，兩過(guò)程以相同速率發(fā)生，因此能量轉(zhuǎn)化為熱最有效。 頻譜中的r”峰值被稱(chēng)為松弛峰，在對(duì)應(yīng)的頻率下，偶

7、極松弛產(chǎn)生最大功率損耗。極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗第十一張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11得到單位體積介質(zhì)的功率損耗： 單位體積介質(zhì)的功率損耗或單位時(shí)間的能量損失以熱的形式轉(zhuǎn)化為分子的無(wú)序碰撞，受頻率、場(chǎng)強(qiáng)和損耗角正切的影響。 在頻率、介質(zhì)介電常數(shù)和電場(chǎng)強(qiáng)度一定的情況下，tan可以表征介質(zhì)損耗的大小。極化的建立過(guò)程與介質(zhì)損耗在電容器的工程應(yīng)用中， r一定時(shí)，往往希望r”最小，定義損耗角正切tan來(lái)表征其相對(duì)變化量：第十二張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月12極化損耗的頻率溫度特性2. 極化損耗的頻率溫度特性第十三張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月132. 1 頻率特性

8、（1）低頻區(qū) 各種極化均來(lái)得及建立，介電常數(shù)與直流下s一致；損耗只有與頻率無(wú)關(guān)的電導(dǎo)損耗，因而”、tan隨頻率增加而倒數(shù)式的下降。極化損耗的頻率溫度特性p第十四張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14隨變化最快，”出現(xiàn)最大值此時(shí)，p隨變化亦最快。 極化損耗的頻率溫度特性（2）松弛區(qū)ptan出現(xiàn)最大值 第十五張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月15 單位體積的介質(zhì)損耗p與介質(zhì)損耗角正切tan及損耗因素”相互有關(guān)，但含義不同。 tan及”表征了介質(zhì)在每一周期中的損耗，其頻率關(guān)系與p不同。 在高頻區(qū)的損耗通常遠(yuǎn)大于純電導(dǎo)損耗。極化損耗的頻率溫度特性（3）高頻區(qū)第十六張，PPT共二十四頁(yè)，

9、創(chuàng)作于2022年6月16極化損耗的頻率溫度特性第十七張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月17介質(zhì)松弛時(shí)間隨溫度的上升作指數(shù)式下降 ：2. 2 溫度特性松弛極化來(lái)不及建立，它們對(duì)的貢獻(xiàn)可忽略；如忽略低溫下的電導(dǎo)損耗，損耗主要是松弛損耗。極化損耗的頻率溫度特性（1）低溫區(qū)a第十八張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月18極化損耗的頻率溫度特性（2）松弛區(qū)b松弛極化對(duì)已有明顯的貢獻(xiàn)；但極化的建立較之電場(chǎng)的變化有明顯的滯后現(xiàn)象，松弛損耗仍然存在；”、p、tan均出現(xiàn)峰值。第十九張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月19松弛極化建立較快，跟得上電場(chǎng)的變化。無(wú)明顯的松弛性損耗，電導(dǎo)是損耗的主

10、要來(lái)源?！薄、tan隨溫度增加再次作指數(shù)式上升。 由于介電溫譜比介電頻譜測(cè)試方便，因而常被采用，許多極性介質(zhì)都可測(cè)得上述的變化規(guī)律。 極化損耗的頻率溫度特性（3）高溫區(qū)c 當(dāng)測(cè)試介質(zhì)溫度譜的電場(chǎng)頻率增高時(shí)，”、p、tan的峰值點(diǎn)向高溫方向平移。第二十張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20柯?tīng)?柯?tīng)枺–ole-Cole）圓圖3.柯?tīng)?柯?tīng)枺–ole-Cole）圓圖消去可得：柯?tīng)?柯?tīng)枺–ole-Cole）圓圖方程3.1 具有單一松弛時(shí)間第二十一張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月21從”最大值可得到松弛時(shí)間=1/柯?tīng)?柯?tīng)枺–ole-Cole）圓圖3.2 具有兩個(gè)分離松弛時(shí)間第二十二張，PPT共二十四頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月