固體電介質(zhì)的極化與損耗

關(guān)于固體電介質(zhì)的極化與損耗第1頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

電介質(zhì)的介電常數(shù)也稱(chēng)為電容率，是描述電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)。電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱可用介電常數(shù)的大小來(lái)表示，它與該介質(zhì)分子的極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。

3.1.1固體電介質(zhì)的介電常數(shù)

電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為

式中，D、E——分別為電介質(zhì)中電通量密度、宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度。(3-1)第2頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平板電容器的介電常數(shù)圖3-1平板電容器中的電荷和電場(chǎng)分布(a)真空(b)充以介質(zhì)——電荷面密度極板間真空中的電場(chǎng)強(qiáng)度(3-2)視頻鏈接第3頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空電容器的電容量為

當(dāng)極板間充以均勻各向同性的電介質(zhì)時(shí)（見(jiàn)圖3-1(b)），在電場(chǎng)作用下電介質(zhì)產(chǎn)生極化，極板上自由電荷面密度應(yīng)為

(3-3)(3-4)第4頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

充以電介質(zhì)后電容器的電容量為

顯然，極板間充以電介質(zhì)后，由于電介質(zhì)的極化使電容器的電容量比真空時(shí)增加了，因此，可以用充以介質(zhì)后電容量的變化來(lái)描述電介質(zhì)極化的性能。(3-5)第5頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

電容器充以某電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)電容量C0的比值為該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即

是一個(gè)相對(duì)的量，叫做相對(duì)介電常數(shù)，是大于1的常數(shù)。(3-6)第6頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)電介質(zhì)極化強(qiáng)度P的定義，當(dāng)電介質(zhì)中每個(gè)分子在電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩為時(shí)，則有

式中，N——電介質(zhì)單位體積中的分子數(shù)。

若作用于分子的有效電場(chǎng)強(qiáng)度為，則分子的感應(yīng)偶極矩可以認(rèn)為與成正比，即

式中，比例常數(shù)稱(chēng)為分子極化率，在SI單位制中的單位為。(3-8)(3-9)第7頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

于是根據(jù)式（3-8）和式（3-9），可得電介質(zhì)極化的宏、微觀參數(shù)的關(guān)系為

亦可寫(xiě)成

上式建立了電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)與分子微觀參數(shù)的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，作用于分子上的電場(chǎng)強(qiáng)度不等于介質(zhì)中的宏觀平均電場(chǎng)強(qiáng)度E，稱(chēng)Ei為電介質(zhì)的有效電場(chǎng)或內(nèi)電場(chǎng)。式（3-11）又稱(chēng)為克勞休斯（Clausius）方程。(3-10)(3-11)第8頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.非極性固體電介質(zhì)

這類(lèi)介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，按其物質(zhì)結(jié)構(gòu)只能發(fā)生電子位移極化，其極化率為。

如不考慮聚合物微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性（高分子聚合物中晶態(tài)和非晶態(tài)并存）和晶體介質(zhì)介電常數(shù)的各向異性，非極性固體介質(zhì)的有效電場(chǎng)（莫索締有效電場(chǎng)），介電常數(shù)與極化率的關(guān)系符合克—莫方程。第9頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.極性固體電介質(zhì)

極性固體電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，除了發(fā)生電子位移極化外，還有極性分子的轉(zhuǎn)向極化。由于轉(zhuǎn)向極化的貢獻(xiàn)，使介電常數(shù)明顯地與溫度有關(guān)。返回第10頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.2固體電介質(zhì)的損耗

在電場(chǎng)作用下沒(méi)有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的，實(shí)際電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱(chēng)為介質(zhì)損耗。

在電場(chǎng)作用下沒(méi)有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的，實(shí)際電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱(chēng)為介質(zhì)損耗。第11頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-2介質(zhì)損耗角δ示意圖

絕緣材料的介質(zhì)損耗角正切就是損耗角δ的正切值，可直接用tanδ表示。絕緣材料的損耗角δ是在其上的外施電壓與由此產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。

它是由介質(zhì)電導(dǎo)以及介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)所引起的。如圖3-2所示第12頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)電流電壓的相量關(guān)系，可得到復(fù)介電常數(shù)。

絕緣材料的損耗指數(shù)等于該材料的tan

與相對(duì)介電常數(shù)的乘積，即由上述關(guān)系得(3-15)(3-13)(3-14)第13頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.固體無(wú)機(jī)電介質(zhì)

普通的無(wú)機(jī)晶體介質(zhì)，如氯化鈉(NaCl)、石英和云母等，它們只有位移極化，其介質(zhì)損耗主要來(lái)源于電導(dǎo)，tanδ與直流電導(dǎo)率的關(guān)系為（1）無(wú)機(jī)晶體

(3-16)第14頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）無(wú)機(jī)玻璃

玻璃的介質(zhì)損耗可以認(rèn)為主要由三部分組成：電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗。

它們與溫度的關(guān)系如圖3-3所示。結(jié)構(gòu)損耗與玻璃結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)，結(jié)構(gòu)愈松，結(jié)構(gòu)損耗一般愈大。圖3-3玻璃tanδ與溫度的關(guān)系1-電導(dǎo)損耗2-松弛損耗

3-結(jié)構(gòu)損耗4-總介質(zhì)損耗第15頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）陶瓷介質(zhì)

陶瓷可以分為含有玻璃相和幾乎不含玻璃相兩類(lèi)，第一類(lèi)陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)損耗主要由三部分組成：玻璃相中離子電導(dǎo)損耗、結(jié)構(gòu)較松的多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)引起的松弛損耗以及氣隙中含水引起的界面附加損耗，tanδ相當(dāng)大。

第二類(lèi)是由大量的微晶晶粒所組成，僅含有極少量或不含玻璃相，通常結(jié)晶相結(jié)構(gòu)緊密，tanδ

比第一類(lèi)陶瓷小得多。第16頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.固體有機(jī)電介質(zhì)

非極性有機(jī)介質(zhì)，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蠟、地蠟等。它們既沒(méi)有弱聯(lián)系離子，也不含極性基團(tuán)，因此在外電場(chǎng)作用下只有電子位移極化，其介質(zhì)損耗主要是由雜質(zhì)電導(dǎo)引起的。這類(lèi)介質(zhì)的電導(dǎo)率一般很小，所以相應(yīng)的tanδ值也很小，被廣泛用作工頻和高頻絕緣材料。第17頁(yè)，課件共19頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

極性有機(jī)介質(zhì)，如含有極性基的有機(jī)介質(zhì)及天然纖維等，它們的分子量一般較大，分子間相互聯(lián)系的阻礙作用較強(qiáng)，因此除非在高溫之下，整個(gè)極