4.2 电介质的损耗(材料物理性能)
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在测量陶瓷电阻时,加上直流电压后,电阻需 要经过一定的时间才能稳定。切断电源后,将 电极短路,有反向放电电流,并随时间减小到 零,随时间变化的这部分电流称为吸收电流, 最后恒定的电流称为漏导电流。 产生的原因-空间电荷效应 在电场作用下,正负离子分别向负、正极移动,引起介质内 各 点离子密度变化,并保持在高势垒状态。在介质内部, 离子减少,在电极附近离子增加,或在某地方积聚,这样形 成自由电荷的积累,称空间电荷。 主要是因为在外电场作用下,材料内自由电荷重新分布的结果。
19
B.极化损耗复介电常数含义:
低频或者静态:εr’取ε(0), ε(0)代表静态相对介电常数;
频率ω→∞: εr’ →ε∞ ,ε∞代表光频相对介电常数 C.ε(0) 和ε∞
r r 1 cr 1 0r 1 1 i r' i r"
21
E.德拜表达式的意义
研究了电介质的介电常数ε、反映介电损耗的εr、所加电场的角频率 及松弛时间的关系。
(0)
r´ r´´
0.1 1 10
=1, r´´最大,大于或小于1 时,r´´都小, 即:松弛时间和所加电场的频率相比,较大时,偶极子来不及转移定向, r´´就小;松弛时间比所加电场的频率还要迅速,r´´也小。
11
低频极化
只当频率为零或频率 很低(例如1千赫)时, 三种微观过程都参与 作用,这时的介电常 数ε(0)对于一定的电介 质而言是个常数,通 称为介电常数,这也 就是静电介电常数εs 或低频介电常数。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
27
2.温度的影响
温度对松弛极化产生影响,因而P,ε和tgδ与温度关系很大。松弛极化随 温度升高而增加,离子间易发生移动,松弛时间常数τ减小。
(1)当温度很低时,η 较大,由德拜关系式可知,ε r较小, tgδ 也较小
1 1
tg
, '
2 2
在此温度范围内,随温度上升,τ减小,εr、tgδ和PW上升。
+ _
e
+ _
e
+ _
e
+ _
+ + + + _ _ _ _
与离子电 导陶瓷材 料的漏导 现象的异 同?
结论:电导损耗实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好的液、 固电介质在工作电压下的电导损耗很小,损耗随温度的增加而急剧增加.
3
介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同?
1.离子电导陶瓷材料的漏导电流
r (0) 1 0 1r r 1 0
20
D.复介电常数的德拜表达式
r (0) 1 0 1r r 1 0
1r r 1 1 1 i " r' i r
r c r 0
r()=+[ (0) - ] /(1+i ) r´ = +[ (0) - ] /(1+ 22) ( r()的实部) r´´ = [ (0) - ] /(1+ 22) ( r()的虚部) tg=r´´/ r´ 其中: (0) -----低或静态的相对介电常数 ------ 时的相对介电常数
非极性的液体电介质、 无机晶体和非极性有机电介质 极性电介质及结构不紧密的离 子固体电介质
电导损耗
极化损耗和电导损耗
6
二、介质损耗的表征方法 有关介质的损耗描述方法有多种,哪一种描述方法比较方便, 需根据用途而定。
损耗角正切 损耗因子
品质因素 损耗功率
tg tg
Q=1/tg p
介质损耗大小 作为绝缘材料的选择依据
P Po
理想
实际
时间 介质的弛豫过程
极化强度随时间变化的速率
dP P P 1 1 1 dt
P0=x0E,P1∞=x1E
x0,x1绝对极化系数,η是弛豫时间常数
18
交变电场作用下的P(t)为:
cr
1 r P ( 0 )E 0 c E 1 i
-复极化系数(相对)
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
实部随着频率的增加而显著下降,虚部出现峰值。
13
高频极化
频率再增加,实部 ε′(ω)降至新值,虚部 ε″(ω)变为零,这表示 分子固有电矩的转向极 化已不能响应了。 当频率进入到红外区, 分子中正、负离子电矩 的振动频率与外场发生 共振时,实部ε′(ω)先 突然增加,随即陡然下 降,ε″(ω)又出现峰值; 过此以后,正、负离子 的位移极化亦不起作用 了。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
14
光频极化
在可见光区,只有电 子云的畸变极化在起 作用了,这时实部取 更小的值,称为光频 介电常数,记以 ε→∞,虚部对应于 光吸收。 光频介电常数ε→∞ 实际上随频率的增加 而略有增加。
+ _ e + _ e + _ e + _
+ + + + _ _ _ _
电介质加热:电极之间加高频电压,因构成电介质的各个分子发生旋转、振 动、碰撞、摩擦等激烈运动,在电介质内部发热。利用电介质发热的加热 方式为电介质加热。
2
2.介质电导和介质极化的滞后效应
1)介质电导的滞后效应-电导损耗
电导损耗由漏导电流引起,与自由电荷有关,对电容器施加直流电压,充电 电流随时间增加而降到某一恒定的数值,这个电流称为电容器的漏电流。
12
中频极化 随着频率的增加, 分子固有电矩的转 向极化逐渐落后于 外场的变化,这时, 介电常数取复数形 式ε(ω)=ε′(ω)jε″(ω),其中虚部 ε″(ω)代表介质损耗; 它是由于电极化过 程追随不上外场的 变化而引起的。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
I R GU U J
G=σS/d
S S , I C iU d d
I U i i E S d
J=(iωε+σ)E 复电导率: σ*= iωε+σ
J=σ*E
J=iωε * E
复介电常数
* i i
*
16
复介电常数:
* i i
*
ε’= ε
ε”=σ/ω
ε* = ε’- iε”
损耗角正切: tg 损耗项 " 电容项 ' ε’和ε”是依赖于频率的量 介质的损耗由复介电常数的虚部引起,通常电容 电流由实部引起,相当于实际测得介电常数。
17
2)极化损耗的复介电常数
tg
损耗项 电容项
25
2)当外加电场频率逐渐升高时, 松弛极化在某一频率开始跟不 上外电场的变化,松弛极化对 介电常数的贡献逐渐减小,因 而εr随ω升高而减少。 在这一频率范围内,由于ωτ<<1, 故tgδ随ω升高而增大,同时Pw 也增大。
" 0 r 0 / 1 2 2 tg ' r 0 / 1 2 2 0
r 0
0 r , 1 1 0 0
A.极化损耗复介电常数
r r 1 cr 1 0r 1 1 i r' i r"
r ' r 1 1 0 r 1 2 2 r " 1 r 1 2 2
在某些频率时,实部 ε′(ω)先突然增加随 即陡然下降,与此同 时虚部ε″(ω)出现峰 值,这对应于电子跃 迁的共振吸收。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
15
2)漏导复介电常数:
C=εS/d I = IC + IR =(iωC+G)U
4
++ - -
2)介质极化的滞后效应:极化损耗 极化损耗由极化电流引起,介质极化的建立引起电流,与极 化松弛等有关;
V P
+
+ _ _ _ _
+
+
+
时间
只有缓慢极化过程才会引起能量损耗,如偶极子转向极化和 空间电荷极化,这种极化损耗能量。 极化损耗与温度、电场频率有关。
5
3)常见介质中的损耗形式
6.2 电介质的损耗
复习 1、什么是电介质极化? 2、给出克劳修斯-莫索蒂方程及其适用范围。 3、高介电晶体 的结构特点。 本节内容 1、介质损耗产生的原因。 2、介质损耗的表征方法。
3、介质损耗的影响因素。
1
一、介质损耗的产生 1.介质损耗
能量损耗-转变为其它形式的 能,如热能、光能等
绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效 应,在其内部引起的能量损耗。简称介损。
G=σS/d
损耗角正切:
tg
IR IC
10
3、复介电常数
1)复介电常数的含义 电极化的基本过程有三: ①原子核外电子云的畸变极化; ②分子中正、负离子的(相对)位移极化;
③分子固有电矩的转向极化。 在外界电场作用下,介质的介电常数 ε是综合地反映这三 种微观过程的宏观物理量;它是频率 ω的函数ε(ω)。
因此玻璃中碱性氧化物浓度愈大玻璃结构就愈疏松离子就有可因此玻璃中碱性氧化物浓度愈大玻璃结构就愈疏松离子就有可能发生移动造成电导损耗和松弛损耗使总的损耗增大352玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用损耗损耗减小玻璃两种碱性氧化物加入后在玻璃中形成微晶结构在碱性氧化物的一定比值下形成的化合物中离子与主体结构较强地固定着实际上不参加引起介质损耗的过程
24
三、 介质损耗的影响因素 1.频率的影响
频率、温度、湿度
1)当外加电场频率很低,即ω →0时,介质的各种极化都能跟上外加 电场的变化,此时不存在极化损耗,介电常数达最大值。 介电损耗主要由电导损耗引起,PW和频率无关。tgδ =ζ /ω ε ,则当 ω →0时,tgδ →∞。随着ω 的升高,tgδ 减小。
" r
" r tg ' r
在高频电压下,ωτ>>1,
0 2 0 r´´ = [ (0) - ] /(1+ 22) 2 1 0 0
在低频电压下,ωτ<<1,σ与ω2成正比。
8
电流相量
和电压相量
的相量图:
总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成,因此:
这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪 器从本质上讲,是通过测量δ或者Φ得到介损因数。
9
C=εS/d I = IC + IR =(iωC+G)U
I R GU U I C i U S d S d
22
4、介质损耗功率
1)直流电压下 PW=IU=GU2 G为介质的电导,单位为西门子(S)。
定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率p,
PW GU 2 p E 2 V V
V为介质体积,σ为纯自由电荷产生的电导率(S/m)。
在一定的直流电场下,介质损耗率取决于材料的电导率
23
2)交流电压下
28
(2)当温度较高时,大于Tm,τ较小,此时
P GU 2 W p E 2 V V tg E
ζ=ωεtgδ 介质等效电导率ζ
it 2
介质损耗不仅与自由电荷的电导有关,还与松弛极化过程有关。
外施电压一定时:
介质损耗只与εtgδ有关。 εtgδ仅由介质本身决定,称为损耗因素。
εr’即为通常测量的εr,则
26
(3)当ω很高时,εr→ε∞,介电 常数仅由位移极化决定,εr趋 于最小值。此时由于ωτ>>1, 此时tgδ随ω升高而减小。 ω→∞时,tgδ→0。
" 0 r 0 / 1 2 2 tg ' r 0 / 1 2 2 0 /
应用于高频 功率的计算
等效电导率
复介电常数的复项
=
电介质发热
研究材料的功率、发热
7
1、介质损耗角δ
在交变电场作用下,电介质内流过的电流相量和电压相量之间 的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。 简称介损角
2、介质损耗正切值tgδ
又称介质损耗因数,是指介质损耗角正切值,简称介损角正切。介 质损耗因数的定义如下
19
B.极化损耗复介电常数含义:
低频或者静态:εr’取ε(0), ε(0)代表静态相对介电常数;
频率ω→∞: εr’ →ε∞ ,ε∞代表光频相对介电常数 C.ε(0) 和ε∞
r r 1 cr 1 0r 1 1 i r' i r"
21
E.德拜表达式的意义
研究了电介质的介电常数ε、反映介电损耗的εr、所加电场的角频率 及松弛时间的关系。
(0)
r´ r´´
0.1 1 10
=1, r´´最大,大于或小于1 时,r´´都小, 即:松弛时间和所加电场的频率相比,较大时,偶极子来不及转移定向, r´´就小;松弛时间比所加电场的频率还要迅速,r´´也小。
11
低频极化
只当频率为零或频率 很低(例如1千赫)时, 三种微观过程都参与 作用,这时的介电常 数ε(0)对于一定的电介 质而言是个常数,通 称为介电常数,这也 就是静电介电常数εs 或低频介电常数。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
27
2.温度的影响
温度对松弛极化产生影响,因而P,ε和tgδ与温度关系很大。松弛极化随 温度升高而增加,离子间易发生移动,松弛时间常数τ减小。
(1)当温度很低时,η 较大,由德拜关系式可知,ε r较小, tgδ 也较小
1 1
tg
, '
2 2
在此温度范围内,随温度上升,τ减小,εr、tgδ和PW上升。
+ _
e
+ _
e
+ _
e
+ _
+ + + + _ _ _ _
与离子电 导陶瓷材 料的漏导 现象的异 同?
结论:电导损耗实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好的液、 固电介质在工作电压下的电导损耗很小,损耗随温度的增加而急剧增加.
3
介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同?
1.离子电导陶瓷材料的漏导电流
r (0) 1 0 1r r 1 0
20
D.复介电常数的德拜表达式
r (0) 1 0 1r r 1 0
1r r 1 1 1 i " r' i r
r c r 0
r()=+[ (0) - ] /(1+i ) r´ = +[ (0) - ] /(1+ 22) ( r()的实部) r´´ = [ (0) - ] /(1+ 22) ( r()的虚部) tg=r´´/ r´ 其中: (0) -----低或静态的相对介电常数 ------ 时的相对介电常数
非极性的液体电介质、 无机晶体和非极性有机电介质 极性电介质及结构不紧密的离 子固体电介质
电导损耗
极化损耗和电导损耗
6
二、介质损耗的表征方法 有关介质的损耗描述方法有多种,哪一种描述方法比较方便, 需根据用途而定。
损耗角正切 损耗因子
品质因素 损耗功率
tg tg
Q=1/tg p
介质损耗大小 作为绝缘材料的选择依据
P Po
理想
实际
时间 介质的弛豫过程
极化强度随时间变化的速率
dP P P 1 1 1 dt
P0=x0E,P1∞=x1E
x0,x1绝对极化系数,η是弛豫时间常数
18
交变电场作用下的P(t)为:
cr
1 r P ( 0 )E 0 c E 1 i
-复极化系数(相对)
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
实部随着频率的增加而显著下降,虚部出现峰值。
13
高频极化
频率再增加,实部 ε′(ω)降至新值,虚部 ε″(ω)变为零,这表示 分子固有电矩的转向极 化已不能响应了。 当频率进入到红外区, 分子中正、负离子电矩 的振动频率与外场发生 共振时,实部ε′(ω)先 突然增加,随即陡然下 降,ε″(ω)又出现峰值; 过此以后,正、负离子 的位移极化亦不起作用 了。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
14
光频极化
在可见光区,只有电 子云的畸变极化在起 作用了,这时实部取 更小的值,称为光频 介电常数,记以 ε→∞,虚部对应于 光吸收。 光频介电常数ε→∞ 实际上随频率的增加 而略有增加。
+ _ e + _ e + _ e + _
+ + + + _ _ _ _
电介质加热:电极之间加高频电压,因构成电介质的各个分子发生旋转、振 动、碰撞、摩擦等激烈运动,在电介质内部发热。利用电介质发热的加热 方式为电介质加热。
2
2.介质电导和介质极化的滞后效应
1)介质电导的滞后效应-电导损耗
电导损耗由漏导电流引起,与自由电荷有关,对电容器施加直流电压,充电 电流随时间增加而降到某一恒定的数值,这个电流称为电容器的漏电流。
12
中频极化 随着频率的增加, 分子固有电矩的转 向极化逐渐落后于 外场的变化,这时, 介电常数取复数形 式ε(ω)=ε′(ω)jε″(ω),其中虚部 ε″(ω)代表介质损耗; 它是由于电极化过 程追随不上外场的 变化而引起的。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
I R GU U J
G=σS/d
S S , I C iU d d
I U i i E S d
J=(iωε+σ)E 复电导率: σ*= iωε+σ
J=σ*E
J=iωε * E
复介电常数
* i i
*
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复介电常数:
* i i
*
ε’= ε
ε”=σ/ω
ε* = ε’- iε”
损耗角正切: tg 损耗项 " 电容项 ' ε’和ε”是依赖于频率的量 介质的损耗由复介电常数的虚部引起,通常电容 电流由实部引起,相当于实际测得介电常数。
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2)极化损耗的复介电常数
tg
损耗项 电容项
25
2)当外加电场频率逐渐升高时, 松弛极化在某一频率开始跟不 上外电场的变化,松弛极化对 介电常数的贡献逐渐减小,因 而εr随ω升高而减少。 在这一频率范围内,由于ωτ<<1, 故tgδ随ω升高而增大,同时Pw 也增大。
" 0 r 0 / 1 2 2 tg ' r 0 / 1 2 2 0
r 0
0 r , 1 1 0 0
A.极化损耗复介电常数
r r 1 cr 1 0r 1 1 i r' i r"
r ' r 1 1 0 r 1 2 2 r " 1 r 1 2 2
在某些频率时,实部 ε′(ω)先突然增加随 即陡然下降,与此同 时虚部ε″(ω)出现峰 值,这对应于电子跃 迁的共振吸收。
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷 极化
工频 声频
无线电 红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
15
2)漏导复介电常数:
C=εS/d I = IC + IR =(iωC+G)U
4
++ - -
2)介质极化的滞后效应:极化损耗 极化损耗由极化电流引起,介质极化的建立引起电流,与极 化松弛等有关;
V P
+
+ _ _ _ _
+
+
+
时间
只有缓慢极化过程才会引起能量损耗,如偶极子转向极化和 空间电荷极化,这种极化损耗能量。 极化损耗与温度、电场频率有关。
5
3)常见介质中的损耗形式
6.2 电介质的损耗
复习 1、什么是电介质极化? 2、给出克劳修斯-莫索蒂方程及其适用范围。 3、高介电晶体 的结构特点。 本节内容 1、介质损耗产生的原因。 2、介质损耗的表征方法。
3、介质损耗的影响因素。
1
一、介质损耗的产生 1.介质损耗
能量损耗-转变为其它形式的 能,如热能、光能等
绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效 应,在其内部引起的能量损耗。简称介损。
G=σS/d
损耗角正切:
tg
IR IC
10
3、复介电常数
1)复介电常数的含义 电极化的基本过程有三: ①原子核外电子云的畸变极化; ②分子中正、负离子的(相对)位移极化;
③分子固有电矩的转向极化。 在外界电场作用下,介质的介电常数 ε是综合地反映这三 种微观过程的宏观物理量;它是频率 ω的函数ε(ω)。
因此玻璃中碱性氧化物浓度愈大玻璃结构就愈疏松离子就有可因此玻璃中碱性氧化物浓度愈大玻璃结构就愈疏松离子就有可能发生移动造成电导损耗和松弛损耗使总的损耗增大352玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用损耗损耗减小玻璃两种碱性氧化物加入后在玻璃中形成微晶结构在碱性氧化物的一定比值下形成的化合物中离子与主体结构较强地固定着实际上不参加引起介质损耗的过程
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三、 介质损耗的影响因素 1.频率的影响
频率、温度、湿度
1)当外加电场频率很低,即ω →0时,介质的各种极化都能跟上外加 电场的变化,此时不存在极化损耗,介电常数达最大值。 介电损耗主要由电导损耗引起,PW和频率无关。tgδ =ζ /ω ε ,则当 ω →0时,tgδ →∞。随着ω 的升高,tgδ 减小。
" r
" r tg ' r
在高频电压下,ωτ>>1,
0 2 0 r´´ = [ (0) - ] /(1+ 22) 2 1 0 0
在低频电压下,ωτ<<1,σ与ω2成正比。
8
电流相量
和电压相量
的相量图:
总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成,因此:
这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪 器从本质上讲,是通过测量δ或者Φ得到介损因数。
9
C=εS/d I = IC + IR =(iωC+G)U
I R GU U I C i U S d S d
22
4、介质损耗功率
1)直流电压下 PW=IU=GU2 G为介质的电导,单位为西门子(S)。
定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率p,
PW GU 2 p E 2 V V
V为介质体积,σ为纯自由电荷产生的电导率(S/m)。
在一定的直流电场下,介质损耗率取决于材料的电导率
23
2)交流电压下
28
(2)当温度较高时,大于Tm,τ较小,此时
P GU 2 W p E 2 V V tg E
ζ=ωεtgδ 介质等效电导率ζ
it 2
介质损耗不仅与自由电荷的电导有关,还与松弛极化过程有关。
外施电压一定时:
介质损耗只与εtgδ有关。 εtgδ仅由介质本身决定,称为损耗因素。
εr’即为通常测量的εr,则
26
(3)当ω很高时,εr→ε∞,介电 常数仅由位移极化决定,εr趋 于最小值。此时由于ωτ>>1, 此时tgδ随ω升高而减小。 ω→∞时,tgδ→0。
" 0 r 0 / 1 2 2 tg ' r 0 / 1 2 2 0 /
应用于高频 功率的计算
等效电导率
复介电常数的复项
=
电介质发热
研究材料的功率、发热
7
1、介质损耗角δ
在交变电场作用下,电介质内流过的电流相量和电压相量之间 的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。 简称介损角
2、介质损耗正切值tgδ
又称介质损耗因数,是指介质损耗角正切值,简称介损角正切。介 质损耗因数的定义如下