电介质的极化、电导与损耗

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1、电介质的极化、电导与损耗 电介质的极化 一、电介质的极性及分类 偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为 d 的两电荷（+q，-q）所组成的系统称为偶极子。 偶极矩：表征偶极子性质的物理量。偶极矩的方向由负电荷指向正电荷，其大小为每个电荷的电量乘以正、负电荷间的距离，即： 偶极矩的单位：德拜（D）； 当单位正、负电荷间距离为0.210 -10m时产生的偶极矩为1D： 301 3.33 10D C m 离子键：正、负离子形成一个很大的键矩（偶极矩），因此它是一种强极性键，由它组成的分子为强极性分子。极性分子和非极性分子原子结合成分子的方式（化学键）：离子键 共价键 极性分子和非极性分子 共价键：

2、 1、电负性相同的原子组成的共价键称为非极性共价键。电子云对称分布，键矩为零。由非极性共价键结合的分子是 非极性分子。 2、电负性不同的原子组成的共价键是极性共价键。电子云偏于电负性较大的原子一边，其键矩大于零。由一个极性共价键组成的分子是极性分子。 极性分子和非极性分子由两个或多个极性共价键组成的分子，如其结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。 常见绝缘电介质：极性电介质（环氧树脂、蓖麻油）和非极性电介质（聚四氟乙烯、氮气等） 二、电介质的极化1、电介质的极化和相对介电常数电介质的极化现象真空中两极板之间的电容： 0 00 Q AC U d 0：真空中的介电常数，8.85410-1

3、4 F/cm 0 0 0Q E DA 单位面积极板上的电荷（电荷密度）：D：电位移矢量（电通量密度） 无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电+ + + + + + + + + +电介质极化 加上外电场后，电矩受力矩作用而发生转向，在介质左右两端面上出现极化电荷。E外+ + + + + + + + + + + + + + Q0U + + +自由电荷极化电荷+ + + 极板间插入固体介质后，在电场作用下电介质中带电物质产生应变，电介质表面产生束缚电荷，把这种现象称为电介质极化。 Q+ 电介质发生极化后，极板间的电容量增为：0 Q Q AC U d ：介质的介电常数此时，单位面积极板上的电

4、荷为： 0 Q QQ E DA A 相对介电常数定义：00 0 0 r Q QCC Q 0 r 双层介质电场分布回顾 极化强度及其物理意义 0 Q QQ E DA A QP A在式令：中P：极化强度0 0 0 Q Q Q Q E P DA A A 极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。 1 n ii MQ Q dP A Ad V 2、电介质极化种类（1）、电子位移极化（2）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化（4）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化 极化的基本形式： （1）、电子位移极化 当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，它将相对于原子核发生位移而形成极化

5、。e + 1）、电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。 2）、形成极化所需的时间极短（因电子质量极小），约10-15，故其r不随频率变化； 3）、它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又会马上重合而整个呈现非极性，所以这种极化没有损耗。电子位移极化的特点 温度对电子式极化影响不大；温度升高时介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起r略为下降，即r具有不大的负的温度系数。温度对电子位移极化影响 （2）、离子位移极化 离子位移极化：无外电场时，大量离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零，在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。 1）

6、、离子位移极化存在于离子晶体中； 2）、形成极化所需的时间很短，约10-12，故其r不随频率变化； 3）、属于弹性极化，几乎极化没有损耗。离子位移极化的特点 1）、离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增加 2）、离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。温度对离子位移极化影响：两种因素前一种因素影响较大，所以其r一般具有正的温度系数。 （3）、偶极子转向极化 偶极子转向极化：当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，分布非常混乱，对外的作用互相抵消，因此整个介质对外并不呈现极性；而在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场定向排列，因而显示出极性。 H

7、2O . O HH + 偶极子转向极化的特点： 1）、偶极子转向极化存在于极性介质中； 2）、偶极子极化是非弹性极化，极化时要消耗的电场能量； 3）、极化所需的时间较长，约10-10-10-2s，故其r随频率变化；温度对偶极子转向极化的影响： 1）、气体，随着温度的升高，r减小； 2）、液体和固体，低温下，r随着温度的升高而升高；高温下，r随着温度的升高而减小。 （4）、夹层介质界面极化 绝缘材料由不同成分组成，或介质不均匀，这种情况下会产生“夹层介质界面极化”现象。这种极化的过程特别缓慢，而且伴随有能量损耗。 （5）、空间电荷极化 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，将在电极附

8、近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹层介质界面极化现象一样都是缓慢进行的，所以假使加上交变电场，则在低频至超低频阶段都有这种现象存在，而在高频时因离子来不及移动，就没有这种极化现象。 3、讨论电介质极化的意义 （1）、选择用于电容器中的绝缘材料时，希望材料的r大；绝缘结构则希望材料的r小。 （2）、串联介质中场强E的分布与r成反比，几种绝缘材料组合在一起使用，要注意各r值的配合， （3）、介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素，而材料的介质损耗与极化类型有关。 （4）、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受潮情况。 电介质的电导 （一）泄漏电流和绝缘电阻 1、测试原理

9、 三电极系统、表面电流、体电流 先将S3闭合，然后在很短的时间内断开，为什么？ 2、电流曲线 ic：电容电流 ia：吸收电流 ig：泄漏电流 通过泄漏电流可以求取绝缘电阻，体电阻RV。 注意区别体电阻RV和表面电阻RS。 表面电阻RS测试电路 绝缘介质中泄漏电流产生的主要原因：离子导电，而不是电子导电。 绝缘电阻具有负温度系数。温度越高，参与漏导的离子（介质本身的或杂质的）越多，则泄漏电流越大，所以绝缘电阻具有负的温度系。 表征绝缘电阻大小的物理量： 电阻率：；体电阻率V，表面电阻率S 电导率：； （二）液体电介质的电导 液体介质中构成电导的主要因素： （1）液体本身的分子和杂质的分子解离为离

10、子，构成离子电导； （2）液体中的胶体质点（如变压器油中悬浮的小水滴）吸附电荷后，形成带电质点，构成电泳电导。 纯净液体介质中电流I与外施电压U的关系： 1、区域a 电压和电流关系较符合欧姆定律，即这时液体介质具有一定的较高的体积电阻率。通常所说的液体介质电阻率都是按这个范围来定义的。 2、区域b 电流有饱和趋向但不十分明显。这是因为液体的密度远大于气体，离子相遇的机会多，复合的概率较大，不可能所有的离子都运动到电极，而电压增高时复合概率减小，因而电流就有所增加。 纯净液体介质中电流I与外施电压U的关系： 区域a、b称为低电场电导区。 纯净液体中的导电粒子主要是： （1）杂质解离产生的离子，

11、（2）射线对液体的电离作用 （3）液体分子在接触电极时所形成的带电粒子。 导电粒子在电场作用下作迁移运动而产生电流，其大小由离子的浓度以及其迁移率来决定。 3、区域c 电压再增加时，电流急剧增加至绝缘破坏。 区域c称为高电场电导区，由于高电场的作用，在液体中产生大量的带电粒子，其机理可能有下列几种： （1）解离，液体分子或杂质分子在电场作用下解离为离子； （2）电极逸出电子，由于高电场的作用或由于肖特基效应（指在电场作用下热电子发射增加）从电极逸出电子； （3）碰撞电离，与气体中产生电子碰撞电离的情况相似，在液体中的电子亦因高电场作用被加速到能在碰撞液体分子时使液体分子电离。当液体中含有气体时

12、，因为气体中的碰撞电离容易发生，击穿先在气体中发生，击穿电压亦与含气体的量有关。 影响工程用液体介质电导的外界因素有二：一是杂质，二是温度。 （三）固体电介质的体积电导 同液体和气体介质中电流 I 随电压 U 变化的区别： 在固体介质上加上电压时，介质内有电流流过，并随外加电压的增加而增加，当电压很高时，电流急剧增加直至绝缘击穿（没有饱和过程）。 固体介质中电流 I 与外施电压 U 的关系： 1、区域a 电压与电流的关系服从欧姆定律； 2、区域b 电流与电压几乎成指数关系； 3、区域c 电流将随电压更急剧增加直至击穿。 区域a为低电场电导区，区域b、c为高电场电导区。与气体、液体介质相比，它明

13、显地无饱和区。 （1）电子，从电极中逸出 （2）离子，离子电导； （3）传导电子和空穴，电子电导。固体介质中的带电粒子： 低电场电导区以离子电导为主，而高电场电导区以电子电导为主。低电场电导区如果离子 的浓度和迁移率一定时，则电流与电压成比例。 介质内带电粒子产生的原因：1、晶格缺陷2、解离3、泊尔 弗仑开尔效应 1、晶格缺陷 实际的离子结晶材料并非完全理想的结晶，而总是具有某些分散的晶格缺陷。（弗仑开尔缺陷、肖特基缺陷） （1）弗仑开尔缺陷：格结点上的离子离开晶格结点位置，则在该晶格结点上形成空穴。这种离子和空穴组成的缺陷称为弗仑开尔缺陷。 （2）肖特基缺陷：正、负离子逸出介质表面，而在晶格

14、结点上出现两个空穴，这样组成的缺陷称为肖特基缺陷。 离子电流：晶格结点上的离子以结点为中心振动，在电场的作用下，与晶格缺陷相邻接的位置上的离子有可能落入晶格缺陷，这样，晶格缺陷就能顺序地在晶格中移动，形成离子电流。 2、解离 （1）介质自身热解离成为离子； （2）电子的碰撞电离。 3、泊尔 弗仑开尔效应固体的能带理论指出：固体中的电子被限制在不连续的能带中。各相邻的能带都由能量间隔互相隔开。在由共价键结合的晶体介质中，正常情况的各价电子占据充满满带。由晶体缺陷所产生的盈余电子则处于较高的能带中，这个能带称为导带或空带，处于这个能带的电子可以在介质中自由活动。导带和满带之间的能量间隔称为禁带。

15、两种导电粒子形成电子电导：在电场作用下满带中的电子沿电场的反方向移动而填充空穴，而填充空穴的电子又在它原来的位置上留下空穴，即空穴将沿电场方向移动。所以这种场合，将由导带中的传导电子和满带中的空穴一起形成电导，称为电子电导。 如果介质中存在杂质，杂质使介质内增加了导电粒子（有的杂质是离子性的，它增加了导电粒子；有的杂质中的电子能带较高，使导电粒子易于产生），使绝缘电阻下降。这就是为什么纤维材料（如纸介质），干燥后需用液体介质浸渍以防止水分侵入。 固体电介质的表面电导表面电导主要是由附着于介质表面的水分和其他污物引起的。憎水性介质：分子和水分子的附着力小于水分子的内聚力，水分子只能在它们表面形成

16、不连续的水珠，这种介质称为憎水性介质，其表面电阻率很高。如石蜡、聚苯乙烯、聚乙烯、硅有机物等。亲水性介质：分子和水分子的附着力大于水分子的内聚力，这种介质称为亲水性介质。如电瓷、玻璃、多孔性介质（纤维材料）。 讨论电介质电导的意义1、通过测绝缘电阻和泄漏电流，判断绝缘是否受潮或有其他劣化现象。2、在多层绝缘介质的设计中，根据介质的电导率合理使用绝缘材料。（直流电压稳态情况下，电压分布同电导率成反比）。3、设计绝缘结构时要考虑到环境条件，特别是湿度的影响。有时需要作表面防潮处理，如胶布（或纸）筒外表面刷环氧漆，绝缘子表面涂硅有机物或地蜡等。4、对于某些能量较小的电源，如静电发生器等，要注意减小绝

17、缘材料的表面泄漏电流以保证得到高电压。5、并不是所有情况下都希望绝缘电阻高，有些情况下要设法减小绝缘电阻值。如在高压套管法兰附近涂上半导体釉，高压电机定子绕组出槽口部分涂半导体漆等，都是为了改善电压分布，以消除电晕， 电介质的损耗 电介质损耗及介质损失角正切电介质损耗：电介质的能量损耗称为电介质损耗，简称介质损耗。电介质损耗包括两部分：电导损耗；极化损耗。电介质损耗在交流、直流电压下的区别？ 交流电压下的介质损耗：电源供给的视在功率由功率三角形可见，介质损耗：介质损耗角：功率因数角用P表示介质损耗的缺点：不同试品间难以互相比较，介质损耗角正切tg：仅取决于材料的特性，与材料尺寸无关， 表示介质损耗更为方便。 本 章 结 束