《材料性能學(xué)》課件-第十章 材料的電學(xué)性能 - 2

介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化，這類材料稱為電介質(zhì)。第四節(jié)介質(zhì)極化與介電性能一、極化的基本概念無極分子：無極分子在沒有外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心重合。但在外電場(chǎng)作用下，分子正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場(chǎng)方向的分子電偶極矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷（束縛電荷）。極化電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)方向與外電場(chǎng)方向相反。靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)有極分子：無外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心不重合，每

一個(gè)分子相當(dāng)于一個(gè)電偶極子。單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩μ的大小稱為粒子的極化率，用α表示：

α表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)。

極性電介質(zhì)分子存在固有電偶極矩；在外電場(chǎng)作用下，電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向；外電場(chǎng)越強(qiáng)，電極化的程度越高。一、極化的基本概念極化強(qiáng)度：表征介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度。一、極化的基本概念線性極化介質(zhì)的極化：由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成?；拘问剑何灰剖綐O化和松弛極化。位移式極化是一種彈性的、瞬時(shí)完成的極化，極化過程不消耗能量，電子位移極化和離子位移極化屬于這種類型。二、極化的基本形式電子位移極化：在外電場(chǎng)作用下原子外圍電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、與溫度無關(guān)。離子位移極化：離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置松弛極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，屬于非彈性極化，極化過程需要消耗一定的能量，電子松弛極化和離子松弛極化屬于這種類型。二、極化的基本形式1、位移極化電子松弛極化由弱束縛電子引起的。晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部改變等因素，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級(jí)，形成弱束縛電子。電子松弛極化過程伴隨有能量的損耗，松弛極化建立的時(shí)間約為10-9s，當(dāng)電場(chǎng)頻率高于109Hz時(shí)，這種極化形式就消失。松弛極化還與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是不可逆過程。二、極化的基本形式2、松弛極化

離子松弛極化是由弱聯(lián)系離子產(chǎn)生的。在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體中以及晶體的缺陷和雜質(zhì)區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子。與離子電導(dǎo)不同：松弛極化粒子僅作有限距離的遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動(dòng)。二、極化的基本形式2、松弛極化轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中。當(dāng)外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外電場(chǎng)一致。但熱運(yùn)動(dòng)抵抗這種趨勢(shì)，所以體系最后建立一個(gè)新的平衡。在這種狀態(tài)下，沿外場(chǎng)方向取向的偶極子比和它反向的偶極子的數(shù)目多，所以整個(gè)介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化一般需要較長(zhǎng)時(shí)間，約為10-2s~10-10s。二、極化的基本形式3、轉(zhuǎn)向極化介質(zhì)極化行為的一個(gè)宏觀參量，它表示電容器在有介質(zhì)時(shí)的電容與在真空狀態(tài)時(shí)的電容相比較時(shí)的增長(zhǎng)倍數(shù)。由于介質(zhì)的極化使電容器兩板間的電位差比真空時(shí)要低。電位移D：在靜電場(chǎng)中，電容器極板上的自由電荷面密度，其方向從自由正電荷指向自由負(fù)電荷。三、介電常數(shù)

χ為電介質(zhì)材料的極化率，對(duì)于均勻的電介質(zhì)材料，χ是個(gè)常數(shù)，它定量地表示出材料被電場(chǎng)極化的能力。三、介電常數(shù)真空狀態(tài)下：存在電介質(zhì)時(shí)：極化強(qiáng)度：材料相對(duì)介電常數(shù)普通玻璃7石英玻璃4.2乙醇26氯丁橡膠8.3聚四氟乙烯2.0橡膠3.3聚乙烯2.3瓷5.5環(huán)氧樹脂4.6～5.295陶瓷13空氣1TiO類＞100幾種常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)1、極化類型的影響2、溫度的影響（1）介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系（2）介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系介電常數(shù)很大的材料其TKε為負(fù)值介電常數(shù)較小的材料其TKε為正值3、頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度的影響四、影響介電常數(shù)的因素兩類

介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量。第五節(jié)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗一、電介質(zhì)損耗的基本概念漏導(dǎo)電流：在外電場(chǎng)作用下，一些帶電粒子發(fā)生移動(dòng)而引起的微小電流。漏導(dǎo)損耗：由漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)發(fā)熱而損耗的能量。極化損耗：在極化(如松弛極化)緩慢建立的過程中因克服阻力而引起能量的損耗。1、電導(dǎo)(或漏導(dǎo))損耗弱聯(lián)系帶電粒子(或空位)引起。

2、極化損耗松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大。造成損耗原因：松弛極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)，電矩滯后于外加電場(chǎng)引起。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生極化損耗。二、介質(zhì)的損耗形式3、電離損耗由氣體電離吸收能量所引起。在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低。氣體電離產(chǎn)生電介質(zhì)損耗發(fā)熱膨脹，可能導(dǎo)致整個(gè)固態(tài)絕緣物的熱破壞和造成老化，盡量減少介質(zhì)中的氣孔。4、結(jié)構(gòu)損耗與溫度關(guān)系不大，隨頻率升高而增大（雜質(zhì)）5、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì)。二、介質(zhì)的損耗形式對(duì)漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響：只與溫度有關(guān)。

對(duì)極化損耗的影響：快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生極化損耗。當(dāng)外電場(chǎng)頻率很高時(shí)，僅由起始電導(dǎo)率決定損耗。三、影響材料介電損耗的因素外在因素：溫度和頻率W=W0eat溫度很低時(shí)，松弛時(shí)間很長(zhǎng)，松弛極化完全來不及建立，損耗很小。隨著溫度升高，松弛時(shí)間縮短，產(chǎn)生松弛極化，損耗增大。當(dāng)隨溫度的繼續(xù)升高，損耗出現(xiàn)極大值。

在一般使用的介質(zhì)中，電導(dǎo)損耗往往與松弛極化損耗同時(shí)存在，頻率、溫度等因素對(duì)損耗的影響也是它們綜合作用的結(jié)果。三、影響材料介電損耗的因素

第六節(jié)絕緣材料的抗電強(qiáng)度一、強(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過程，氣體及液體介質(zhì)的擊穿是可逆過程。

材料的擊穿電壓除與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與一系列的外界因素有關(guān)，如試樣和電極的形狀、外界的媒質(zhì)、溫度、壓力等，因此E穿不僅表示材質(zhì)的優(yōu)劣，同時(shí)也反映材料進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)的條件。電介質(zhì)的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化學(xué)擊穿3種。介質(zhì)在電場(chǎng)中擊穿現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，一個(gè)器件的擊穿可能有多種擊穿形式，但往往有一種是主要、決定的形式。一、強(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞1、電擊穿

電過程，僅有電子參與。（1）“雪崩”電擊穿理論

強(qiáng)電場(chǎng)→自由電子→撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子→

新的電子—次級(jí)電子→撞擊出第三級(jí)電子，連鎖反應(yīng)，形成“電子潮”。

電擊穿往往是瞬息完成的（2）能帶理論解釋擊穿現(xiàn)象電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子獲得足夠能量越過禁帶而進(jìn)入上層導(dǎo)帶，絕緣材料就會(huì)被擊穿而導(dǎo)電。二、擊穿形式2、熱擊穿絕緣材料在電場(chǎng)下工作時(shí)由于各種形式的損耗，部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，若器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大于器件散發(fā)出去的熱量，使器件溫度不斷上升。當(dāng)溫度超過一定限度時(shí)介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)燒裂、熔融等現(xiàn)象而完全喪失絕緣能力，這就是介質(zhì)的熱擊穿。二、擊穿形式3、化學(xué)擊穿在高溫、潮濕、高電壓或腐蝕性氣體環(huán)境中，絕緣材料內(nèi)部產(chǎn)生電解、腐蝕、氧化、還原等，逐漸老化，導(dǎo)致?lián)舸?。機(jī)理：1）在直流和低頻交變電壓下，離子式電導(dǎo)引起電解，發(fā)生電還原反應(yīng)，電導(dǎo)損耗上升，強(qiáng)烈發(fā)熱導(dǎo)致?lián)舸?/p>

2）材料中存在封閉氣孔→氣體的游離放出熱量→材料電子式電導(dǎo)大大增加→強(qiáng)烈發(fā)熱導(dǎo)致?lián)舸?。二、擊穿形式材料的組成與結(jié)構(gòu)1、溫度的影響（1）對(duì)電擊穿影響不大（2）對(duì)熱擊穿影響較大（3）對(duì)化學(xué)擊穿加快2、頻率的影響頻率影響介質(zhì)損耗，進(jìn)而對(duì)熱擊穿影響很大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)與頻率的平方根成反比。另外，器件的大小和形狀、散熱條件都對(duì)擊穿有很大的影響。