电介质的极化
电介质的极化
n dS P
x
d 2 2 dq 2R sin d P2R sin cos d
2) 在球面上取环带
处， 0； 0及 处， 最大。 2
左半球面上
0
d P
P np nql
由于极化而越过面元的总电量
dq qn dV nql dS cos nql dS P dS cos
Ε
l
n
P
束缚电荷面密度
dq P cos P n dS
被均匀极化，极化强度为P。 求：1) 介质球表面的分布；2) 极化电荷在球心处的场。 解：1) 球面上任一点 P n P cos
P P 2 E dE 0 sin cos d 2 0 3 0
E沿x轴负方向。
（1） 电极化强度矢量
P
pi
i
单位体积内分子电矩的矢量和。
总电场
V
束缚电荷电场
（2） 空间任一点总电场
E E0 E
极化率 外电场
（3）电极化强度与总电场的关系 P 0 E
（4）极化率与相对介电常数的关系
r 1
电极化强度矢量
束缚电荷与电极化强度的关系： 分子数密度 p ql 分子电矩 电极化强度
§9-4
电介质及其极化
电介质：绝缘体，无自由电荷。 电介质极化特点：内部场强一般不为零。
1. 有极分子和无极分子电介质
有极分子：分子的正电荷 中心与负电荷中心不重合。
pe ql
l
+H
电介质的极化规律
电介质的极化规律
1.电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。
这种极化称为电子位移极化（也称电子形变极化）。
2.离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。
电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。
理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。
一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。
在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。
这些极化电荷改变原来的电场。
充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。
《高电压技术》 —— 电介质的极化
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象称为电介质的极化。
或者表示为，无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，电介质整体上对外没有极性，在外电场作用下，电介质对外呈现极性的过程。
电介质极化的基本类型包括：电子位移极化（电子式）、离子位移极化（离子式）、转向极化（偶极子式）、空间电荷极化（夹层式）四种类型。
1.电子位移极化（电子式）在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道变形而出现感应电矩。
2.离子位移极化（离子式）在由离子键结合成的介质内，在外电场的作用下，除了各离子内部产生电子式极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化称为离子式极化。
当没有外电场时，各正负离子对构成的偶极距彼此相消，合成电距为零；加上外电场后，所有的正负离子对构成的偶极距不再完全相消，形成一定的合成电距。
完成离子式极化所需时间约为10-13～10-12 s，有极微量的能量损耗，与电源频率几乎无关，温度升高时，电介质体积膨胀使离子间的距离增大，离子间相互作用的弹性力减弱，故离子极化率随温度的升高而略有增大。
3.转向极化（偶极子式）在外电场的作用下，极性分子的偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，而显出极性。
偶极子式极化的建立需要较长时间，约为10-10～10-2 s，甚至更长。
有能量损耗，与电源频率和周围温度有关。
当电场交变频率提高时，极化可能跟不上电场的变化，从而使极化率减小。
4.空间电荷极化（夹层式）夹层式极化是最常见的一种空间电荷极化形式。
由多种介质组成的绝缘结构，在加上外电场后带电质点在介质分界面上堆积，造成电荷在介质空间新的分布，产生电矩。
如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。
夹层式极化过程是缓慢的，它的完成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时甚至更长。
因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
高频时，离子来不及移动，就很少有这种极化现象，故只有在低频时才有意义。
电介质的极化知识点
电介质的极化知识点电介质是一种具有不良导电性质的物质，能够在电场中极化，并且在极化过程中，电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
电介质的极化现象在电子学、物理学、化学等领域中具有重要的应用和理论意义。
本文将针对电介质的极化进行详细阐述，包括极化的概念、分类、极化机制等重要知识点。
一、极化的概念极化是指电介质在外加电场的作用下，内部发生的一种现象，即电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
当电介质处于无电场状态时，其内部的正负电荷呈均匀分布；而当外加电场存在时，正负电荷会发生位移，并在电介质两端形成极化电荷。
二、电介质的极化分类根据电介质极化的性质和机制，可以将电介质的极化分为以下几种类型：1. 电子极化电子极化是指电子在电场作用下发生位移，从而使得电介质发生偶极矩的现象。
在电子极化过程中，电子云相对于离子核的位移引起了正、负电荷的分离。
2. 离子极化离子极化是指电介质中的正、负离子在电场中发生位移，从而产生极化现象。
离子极化通常发生在电解质溶液中，当外加电场作用于电解质溶液时，正、负离子会向相反的方向运动，形成极化电荷。
3. 偶极子极化偶极子极化是指由于电介质内部存在着极性分子，这些极性分子在外加电场作用下，会使得电介质发生极化现象。
在偶极子极化过程中，极性分子的正负电荷偏移，从而形成极化电荷。
4. 空间电荷极化空间电荷极化是指电介质内部的自由电荷在电场作用下发生位移，从而形成极化电荷。
空间电荷极化通常发生在导体中，由于导体内部的自由电子可以自由运动，受到外加电场的作用，自由电荷会在导体表面积聚形成极化电荷。
三、电介质的极化机制电介质的极化机制决定了它在电场中的极化特性。
根据电介质的性质和结构，极化机制可以分为以下几种：1. 电子极化机制电子极化主要发生在电子绝缘体中，在外加电场的作用下，电子云发生位移，并与离子核产生相对位移，从而使电介质发生极化。
2. 离子极化机制离子极化机制主要发生在电解质溶液中。
§33 电介质的极化 §34 极化电荷
3. 电极化强度（Electric Polarization）
（1） 电极化强度矢量 单位体积内分子电矩的矢量和:
P
pi
V
总电场 （2） 空间任一点总电场
束缚电荷电场
E E0 E
极化率
（3）电极化强度与总电场的关系 P
自 场0 由E电荷电
（4）极化率与相对介电常数的关系 r 1
极化有何规律？
P
q'( ', ')
E E0 E'
描述极 化现象
三者从不同角度定量地描述同一物理现象——极化
三者之间必有联系，这些关系——电介质极化遵循 的规律
§3.4 极化电荷（ polarization charge)
电场的作用是电介质极化的原因，极化则反过来 对电场造成影响，这种影响之所以发生是由于电介质 在极化后出现一种附加的电荷（叫做极化电荷，有时 称为束缚电荷）激发的附加电场。
Pz z
0
0
②当 P = 恒矢量，均匀极化。
0
3.4-3 极化电荷面密度与极化强度的关系
l + ++++ eˆn
电介质 +++++
, 0
2
l 电介质
eˆn
, 0
2
在电介质的表面上，θ 为锐角的地方将出现一 层正极化电荷，θ 为钝角的地方则出现一层负极化 电荷，
电介质的极化程度不仅体现在P上，还体现在极 化电荷多少上，因此，极化强度矢量P和极化电荷之 间必定有内在联系。
3.4-1 极化电荷
电介质的极化和介质中的高斯定理
串联 1 1 1 C C1 C2
C C1C2 C1 C2
0S d1 d2 r1 r2
②.已知 U，求0、E、D。
0
q S
CU S
0SU
S d1 d 2
0U
r1 r2
d1 d2
r1 r2
d1 d2
r1 r2 d
22
E1
Байду номын сангаас
0 0r1
d1
r1
0U
d2
r2
0r1
1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观 效果都是产生了极化电荷。
综 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生 述：的分子电矩的矢量和也越大。
3）极化电荷被束缚在介质表面，不能离开电介质 到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。它 不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
7
二、极化强度矢量
r
r 称为相对
介电常数或
电容率。
从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、
有极分子。
每个分子负电荷对外影响均可等效为 单独一个静止的负电荷 的作用。其大小为 分子中所有负电之和，这个等效负电荷的 作用位置称为分子的“负电作用中心”。
-
3
同样，所有正电荷的作用也可等效一
个静止的正电荷的作用，这个等效正电 荷作用的位置称为“正电作用中心”。
电场 E有如下关系：Pe0E
e 称为电极化率或极化率， 在各向同性线性电介质
中它是一个纯数。
14
D 在均匀0各E 向同P 性介0质E 中P e0E e 0(1 Ee)0E
r0E
r (1e) 称为相对介电常数或电
容率。
在各向同E性介质中D.rE0关称系为：介D 电常数r，0E E
《电磁场理论》2.4 电介质的极化
± ± ±
(a )
1
2.电介质的极化
定义：这种在外电场作用下，电介质中出现有序排列的 电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象，称为电介质的 极化。
(1)无极分子的极化：位移极化
外加电场 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± (a ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ (b ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 外加电场
QP P dV
V
S
dS P
S
( P)dV P ndS
V
01:55
P ndS P ndS 0
S S
7
3)当极化强度 P 为常数时，称为均匀极化。均匀极化时介 质内部不出现体极化电荷，极化电荷只会出现在介质表面 上。均匀介质一般有 P 为常数，而真空中有 P 0 。 4)若极化媒质内存在自由电荷，则在自由电荷处一般存在 极化电荷。 5)两种介质分界面上的极化电荷
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
6
(r )
1 4 0
P
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
计算介质极化后所产生的电位： 1)将电介质从所研究的区域取走， 2)计算 P和 P ， 3)按计算自由电荷的电场的方法来计算极化电荷的电场。 说明： 1)极化电荷不能自由运动，也称为束缚电荷； 2)由电荷守恒定律，电介质内的总极化电荷为零；
Pn S R dS ]
2. 第一章 电介质极化、电导、损耗
8
§1.2 电介质的电导
二、影响电介质电导的因素
9
1.电场的影响
2.温度的影响
电场↑
温度↑
杂质↑
电导↑
3.杂质的影响
§1.2 电介质的电导
三、电介质在直流电压作用下的吸收现象
10
一固体电介质加上直流电压 U,可以观察到流过
电介质电流i 从大到小随时间衰减,最终稳定于
某一数值,此现象就称为吸收现象。
也表征了介质损耗的特性。
2.在交流电压下
tgδ表征介质损耗的大小。
17
§1.3 电介质的损耗
三、影晌tgδ的因素 1.频率
18
2.温度
3.电压
ห้องสมุดไป่ตู้
§1.3 电介质的损耗
四、介质损耗在工程应用上的意义 1.选材；
19
2. tgδ值的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本 项目； 3.合理使用设备。
1
第一章 电介质的极化、电导和损耗
2
电介质在电压 (电场 )作用下，会发生极化、电导、 损耗和击穿等现象， 这是电介质的基本电气特性。 认识影响这些电气性能的各种因素以及各现象在 工程中的意义。能帮助我们合理地选择和使用绝缘 材料，同时为后面的绝缘试验提供了理论基础。
§1.1 电介质的极化
一、电介质的极化（基本概念） 电介质在电场作用下，由于束缚电荷的位 移或偶极分子的转向，在介质两端面上出 现等量异号电荷，对外显示电性的现象，
2.采用组合绝缘时选择介电系数合理搭配的绝 缘材料； 3.通过测ε值来判断绝缘材料的受潮情况及含 气泡的多少
§1.2 电介质的电导
一、电介质电导的基本概念 电介质在电场作用下，有一定电流流过的现象， 称为电介质的电导。 这是因为在电介质内部还是存在数量很少的带 电粒子。 表征不同电介质电导过程强弱程度的物理量是 电导率γ(或电阻率ρ)。 电介质的电阻率一般达109～1022Ω•cm，而导体 的电阻率在10-2Ω•cm 以下,可见两者差别之大。
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。
1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。
2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。
离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。
离子极化能对金属化合物性质产生影响。
3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。
4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
1-1 电介质的极化
电介质的极化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。
常见极性绝缘电介质：环氧树脂、蓖麻油； 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气等H 2O . . . O H H + SF6+ + + + +++ + ++ + + + + + + + + + + 电介质的极化无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电；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 + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 以极性分子为例：+ + + ++ Q 0 U + + + + + 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’ +电介质的极化种类（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（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。
e+电子位移极化的特点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），不随频率变化；约10-15，故其r3）、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。
（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。
离子位移极化的特点1）、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10-12s，故其 r不随频率变化；3）、属于弹性极化，几乎没有极化损耗。
（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。
电介质的极化
电介质（dielectric）也就是绝缘体，它们本身是不导电的，即它们不含有自由电子。
因此，与导体相比，电介质对外场的响应是不同的。
对于导体而言，其对外电场的响应就是自由电子定向移动，产生感应电荷，最终达到静电平衡。
而对于电介质而言，其对外电场的响应是束缚电荷的受限移动（移动范围不能超出原子），从而产生宏观的极化电荷。
这种对外电场的响应称为电介质的极化。
极化的微观过程是束缚电荷在外电场中的运动。
任何物质的分子都是由电子和原子核构成的，整个分子是电中性的。
正（原子核）、负电荷（各个电子）在空间中都具有一定的分布。
利用等效理论（原理），对正、负电荷分开处理，可以得到这个分子的等效正电荷的大小、位置以及等效负电荷的大小、位置。
这样，就可以得到分子的等效固有电偶极矩。
根据对称性，可以将分子分为无极分子和有极分子。
顾名思义，无极分子就是分子等效电极距为0的分子，即分子的正、负等效电荷的位置重合，这要求分子的结构具有某些对称性，如氢分子，四氯化碳分子等。
有极分子就是分子等效电极距不为0的分子，这种情况更为多见。
自然地，这两种分子的极化机制不同。
对于无极分子而言，一旦加上了外电场，原本重合的正、负等效电荷点会分开，产生感生电极距，也称为位移极化。
而对于有极分子而言，不仅仅有位移极化，本身的固有电极距会在外场作用下从原本的杂乱无章到逐渐有序，这种极化称为取向极化。
那么如何定量描述极化的强度呢？极化强度是宏观量，而极化微观机制是微观图像。
将宏观量和微观图像联系起来的有效工具便是微元法，即取一小块体积元，将体积元内所有电极距叠加起来，除以体积元的大小，定义为极化强度矢量。
那么极化电荷的分布情况如何呢？对于均匀的电介质而言，可以想象，电介质体内是不会出现宏观的极化电荷的，因为它们都抵消掉了（想象一下极化的微观过程可知）。
但在表面情况就不同了。
这个表面并不是电介质的理想表面，而是指距离理想表面的距离小于L的地方。
其中L为分子感生电极距中等效正电荷点与等效负电荷点的距离。
电介质的极化
+
+
H
+
正负电荷 中心重合
+
H C H
+
pe
O +
HH+ NhomakorabeaH
pe 0
pe
正电荷中心 ——分子电偶极矩
1. 无极分子的位移极化
e
无外电场时 pe 0
f
pe
l
E外
f
加上外电场后
pe 0
E外
+
极化电荷
+ + + + + +
极化电荷
2. 有极分子的转向极化
0
S
E dS
1
0
( 0 )S
r 1 0 r
0 ( 0 ) 0 0 r
1
+ + +
电位移矢量
D 0 r E E
有介质时的高斯定理
n D dS q0i S i 1
通过高斯面的电位移通量等于高斯面所包围的自由电荷 的代数和，与极化电荷及高斯面外电荷无关。
无电介质时
0
r
四.有电介质时的高斯定理
无电介质时
电位移矢量 0
+ + + + + + + + + + + + + + + + +
1 S E0 dS 0 0S
加入电介质后(各 向同性电介质）
σ '
σ '
-
电解质及其极化
当电介质中场强不太大时，极化强度与电场强
度关系为：
P E ( 1)E
0e
0r
电极化率
相对介电常数
上页
下页
三.电介质中的静电场
E E0 E'
E’
E0
E
-+σ′σ0 E E0 E '
0 '
0 0
+-σσ′0
柱体内分子电偶极矩总和：
上页
下页
1.无极分子的位移极化
加上外电场后，在电 场作用下介质分子正负 E 电荷中心不再重合，产 生相对位移，出现分子 电偶极矩。
无外场时，介质分
子正负中心重合。
E
上页
下页
出现极化电荷
这种在外电场作用下介质表面产生极化电荷的 现象，叫做电介质的极化现象。
2.有极分子的取向极化
无外电场时，
有极分子电偶极
1/r 。电介质内部场强减弱为外场的1/r 这一结论
并不普遍成立，但是场强减弱却是比较普遍的。
上页
下页
介质球放入前电场为一均匀场
E0
上页
下页
介质球放入后电力线发生弯曲
+++++++
E
上页
下页
重点：
★ 电介质的极化现象 ★ 极化后电介质内电场的变化
上页
下页
§6.2 电介质及其极化
电介质：绝缘体，无自由电荷。
电介质极化特点：内部场强一般不为零。
一.电介质的极化
无极分子：分子的正电
荷中心与负电荷中心重合。
有极分子：分子的正电荷
中心与负电荷中心不重合。
电介质的极化课件
详细描述
根据物质的状态和性质，电介质可以分为气体、液体和固体三类。不同状态的 电介质有不同的应用场景，如气体电介质常用于高压绝缘，液体电介质常用于 电缆绝缘，固体电介质常用于电子器件和绝缘材料。
电介质性质
总结词
电介质具有高绝缘性、介电性、热稳定性等性质。
详细描述
频率特性
频率对电介质极化的影响
随着频率的增加，电介质的极化率通常会减小，这主要是因为频率增加会导致电场变化速度增加，使得电介质分 子来不及响应电场的变化。
频率对介电常数的影响
随着频率的增加，介电常数通常会减小，这主要是因为频率增加会导致电场变化速度增加，使得电介质对电场的 响应能力降低。
压力特性
03
极化性
温度特性
温度对电介质极化的影响
随着温度的升高，电介质的极化率通常会减小，这主要是因 为温度升高会导致电介质内部的分子热运动增强，从而降低 分子间的相互作用力。
温度对介电常数的影响
介电常数随着温度的升高而减小，这主要是因为温度升高会 导致电介质内部的正负电荷的热运动速度增加，从而降低电 介质对电场的响应能力。
电介质具有高绝缘性，能够承受强电场作用，具有良好的介电性能，能够存储电 荷并隔绝电流。此外，电介质还具有热稳定性，能够在高温下保持稳定的性能。 这些性质使得电介质在电力、电子、通信等领域有着广泛的应用。
02
极化理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场作用下，其 内部偶极子定向排列的现 象。
极化程度
分析数据
根据实验数据，分析电介质极 化的规律和特点，探究与材料 性能之间的关系。
06
极化
电介质极化
3、 材料的介质损耗与极化形式有关，而介质损耗是 影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。
4、 在绝缘预防性试验中，夹层极化现象可用来判断 绝缘受潮情况。例如，水分侵入电介质后，使材 料的介电常数增大，同时水分能增强夹层式极化 作用，因此，通过测量材料的相对介电常数，就 能判断电介质受潮程度。
以变压器油中气泡为例：
油 E泡 泡 E油
E泡
E油
• 油 泡
E油
•
2.2 1.0058
2.2E油
第一节 电介质的极化
极化的概念： 在外电场作用下，电介质的 表面上出现束缚电荷的现象 叫做电介质极化。
极化的形式： 电子式极化、离子式极化 偶极子式极化、夹层式极化
电子式极化：（存在于一切材料中）
电子式极化特点：时间短，无能量损耗，弹性极化
离子式极化：（存在于离子结构物质中）
离子式极化特点：时间短，无能量损耗，弹性极化
真空介电常数 0 1/(0C 2 ) 绝对介电常数 相对介电常数 r / 0
以平行板电容器为例：
相对介电常数电介质时，应注意相对介电常数 r 的大小。 用作电容器的绝缘介质时，希望 r 大些好。 用作其它设备的绝缘介质时，希望 r 小些好。
偶极子式极化：（存在于极性材料中）
偶极子式极化特点：时间较长，有能量损耗，非弹性极化
夹层式极化：（存在于多种材料的交界面）
合闸后，两层介质上的电压有一个重新分配的过程，而其 上的电荷也会重新分配。
夹层式极化特点：时间很长，有能量损耗，非弹性极化
介电常数：表征电介质在电场作用下极 化程度的物理量