交变电场中电介质的损耗-复介电常数.ppt
合集下载
交变电场中电介质的损耗-计漏电导的损耗概要
4-131
由此可见： 在低频段，tgδ 随频率升高成反比地下降。
（3）当频率较高时
tgδ 与ω 的关系基本上服从于图 4-9(c) 所示变化规律。
图 4-9 (a)
与频率的关系;(b)
与频率的关系；(c)
与频率的关系
电导损耗所占比例逐步增加时，tgδ 弛豫最大值不显著；
当γ 值很大时，tgδ 的极大值有可能完全被淹没。 tgδ 与频率的关系分别如图 4-22(a) 和图 4-23(a) 所示。
e
B /T
温度很低或较低时，γ值小，介质损耗主要决定于弛豫。
一定额率下于某个温度出现 tgδ 的极大值。
频率增高，出现 tgδ 极大值对应的温度向高温方向移动。 在总的介质损耗中： 电导损耗所占比例逐渐增加时，tgδ 的弛豫极大值不明显。
电导率γ 很大的介质，tgδ 的极大值还可能被淹没，
tgδ～T 的关系服从于γ ～T 的指数变化关系。
（3）在总的介质损耗中
由电导引起的损耗分量所占比例逐渐增加时，
tgδ 的弛豫极大值不会那么明显。 电导率 γ 很大的介质，tgδ 的极大值还可能完全被淹没， tgδ～T 的关系服从于γ ～T 的指数变化关系。 tgδ 与温度的关系分别示于图 4-22(b) 和 4-23(b) 中。
温度不太高， 电导不太大。
因此，当主要考虑电导的影响时，
tgδ 随温度升高指数式增大。
（2）当温度很低或较低时
由于γ 值小，电导引起损耗的比例相对较小，
介质损耗主要决定于弛豫过程： 一定额率下于某个温度出现 tgδ 的极大值； 当频率增高时，出现 tgδ 极大值所对应的温度向高温方向移动。
图 4-22 计及漏导损耗时 tgδ的温频特性 (a) 频率；（b）温度
由此可见： 在低频段，tgδ 随频率升高成反比地下降。
（3）当频率较高时
tgδ 与ω 的关系基本上服从于图 4-9(c) 所示变化规律。
图 4-9 (a)
与频率的关系;(b)
与频率的关系；(c)
与频率的关系
电导损耗所占比例逐步增加时，tgδ 弛豫最大值不显著；
当γ 值很大时，tgδ 的极大值有可能完全被淹没。 tgδ 与频率的关系分别如图 4-22(a) 和图 4-23(a) 所示。
e
B /T
温度很低或较低时，γ值小，介质损耗主要决定于弛豫。
一定额率下于某个温度出现 tgδ 的极大值。
频率增高，出现 tgδ 极大值对应的温度向高温方向移动。 在总的介质损耗中： 电导损耗所占比例逐渐增加时，tgδ 的弛豫极大值不明显。
电导率γ 很大的介质，tgδ 的极大值还可能被淹没，
tgδ～T 的关系服从于γ ～T 的指数变化关系。
（3）在总的介质损耗中
由电导引起的损耗分量所占比例逐渐增加时，
tgδ 的弛豫极大值不会那么明显。 电导率 γ 很大的介质，tgδ 的极大值还可能完全被淹没， tgδ～T 的关系服从于γ ～T 的指数变化关系。 tgδ 与温度的关系分别示于图 4-22(b) 和 4-23(b) 中。
温度不太高， 电导不太大。
因此，当主要考虑电导的影响时，
tgδ 随温度升高指数式增大。
（2）当温度很低或较低时
由于γ 值小，电导引起损耗的比例相对较小，
介质损耗主要决定于弛豫过程： 一定额率下于某个温度出现 tgδ 的极大值； 当频率增高时，出现 tgδ 极大值所对应的温度向高温方向移动。
图 4-22 计及漏导损耗时 tgδ的温频特性 (a) 频率；（b）温度
电介质材料的介电常数和损耗的频率特性
电介质材料的介电常数及损耗 的频率特性
〈一〉实验目的 〈二〉实验仪器 〈三〉实验原理 〈四〉操作步骤 〈五〉数据处理
〈一〉实验目的
1．熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使用；
2．测量几种介质材料的介电常数 和介质损耗角正切 （tan）与频率的关系，从而了解它们的 、tan 的频
原因，并分析产生误差的可能性； 4. 比较不同偏压下的ε , tg δ与频率关系曲线的异同，
并分析原因。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
介电损耗值，即 tan /， 又称介质损耗因数。δ是电 介质的电位移D由于极化弛豫而落后电场E的一个相位角。 由于介质的各种极化机构在不同的频率范围有不同的响应和
不同频率下产生不同的电导率，所以介质的介电常数和介电
损耗都是随频率的变化而变化。如不考虑边缘效应，平板试
样的电容量可用下式表示：
（5）选择不同的测量频率，测出不同频率下的电容C和损 耗tg δ的值。（可设置的频率范围为：20 Hz — 150 kHz）
（6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量。
〈五〉数据处理
1. 由测量数据，进行转换:C→ε＇； 2. 用origin软件绘图，绘出 ε＇~ f和 tg δ ~ f关系曲线； 3. 对所得曲线进行分析：分析，tan与频率变化的
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义
为： 介质损耗的功率（即有功功率）
tan
无功功率
。在直流电场下，电介质内只有
泄漏电流所产生的电导损耗；但在交变电场中，除电导损耗
外还存在着各种形式的极化所产生的损耗，即松弛极化损耗。
〈一〉实验目的 〈二〉实验仪器 〈三〉实验原理 〈四〉操作步骤 〈五〉数据处理
〈一〉实验目的
1．熟练掌握MODEL TH2816型宽频LCR数字电桥的使用；
2．测量几种介质材料的介电常数 和介质损耗角正切 （tan）与频率的关系，从而了解它们的 、tan 的频
原因，并分析产生误差的可能性； 4. 比较不同偏压下的ε , tg δ与频率关系曲线的异同，
并分析原因。
知识回顾 Knowledge Review
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
介电损耗值，即 tan /， 又称介质损耗因数。δ是电 介质的电位移D由于极化弛豫而落后电场E的一个相位角。 由于介质的各种极化机构在不同的频率范围有不同的响应和
不同频率下产生不同的电导率，所以介质的介电常数和介电
损耗都是随频率的变化而变化。如不考虑边缘效应，平板试
样的电容量可用下式表示：
（5）选择不同的测量频率，测出不同频率下的电容C和损 耗tg δ的值。（可设置的频率范围为：20 Hz — 150 kHz）
（6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量。
〈五〉数据处理
1. 由测量数据，进行转换:C→ε＇； 2. 用origin软件绘图，绘出 ε＇~ f和 tg δ ~ f关系曲线； 3. 对所得曲线进行分析：分析，tan与频率变化的
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义
为： 介质损耗的功率（即有功功率）
tan
无功功率
。在直流电场下，电介质内只有
泄漏电流所产生的电导损耗；但在交变电场中，除电导损耗
外还存在着各种形式的极化所产生的损耗，即松弛极化损耗。
介质损耗试验ppt课件
离或发生局部放电时，tg 随U的升高而迅速
增大，电压回落时电离要比电压上升时要更
强一些，因而会出现闭环曲线。
图 4 tg 与试验电压的典型关系曲线
13
如果绝缘受潮，则电压较低时，tg 就已经相当大，电压升高时，tg 更 将急剧增大；电压回落时，tg 也要比电压上升时更大一些，因而形成了 不闭合的分叉曲线。 4）试品电容量的影响：对于电容量较小的试品，tg 测量能有效的发现 局部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但对电容量较大的试品，tg 测量只 能发现整体分布性缺陷，此时要把它分解成几个彼此绝缘部分的被试品， 分别测量各部分的 tg 值，能有效的发现缺陷。 5）试品表面泄露(漏）的影响：由于试品表面泄露(漏）电阻总是与试品等值 电阻RX相并联，所以会影响 RX 值。为了排除或减小这种影响，在测试前 应先清楚绝缘表面的积污和水分，必要时还可以在绝缘表面上装设屏蔽 极。
交变磁场感应出干扰磁场。
消除方法：将电桥的低压臂和检流计用金属网和屏蔽电缆线加以屏蔽。
2） 温度的影响：一般tg 随温度的增高而增大。
3）试验电压的影响（图4）：
曲线1—良好绝缘在额定电压下，tg 值几乎
不变 。
曲线2—若绝缘存在空隙或气泡时，当所加
电压尚不足以使气泡电离时，其tg 与良好
绝缘时无差别，但若所加电压能引起气泡电
课 程题目 介质损耗（角）正切角tan 试验
1
目录
1 介质的极化、电导和介质损耗 1.1 介质的极化 1.2 电介质的电导 1.3 电介质损耗 2 介质损耗正切角的测量 2.1 西林电桥原理 2.2 测量的影响因数
2
1 介质的极化、电导和介质损耗
1.1 介质的极化
具有极性分子的电介质称为极性电介质，而中性分子构成的电解质 称为中性电介质。前者是即使没有外电场的作用其分子本身也具有电矩 的电介质。介质的相对介电常数：
2014-第四章-5-交变电场中电介质的损耗-弛豫机制与松弛时间资料PPT课件
第四章 交变电场中电介质的损耗
复介电常数 介质损耗 弛豫现象 德拜方程 弛豫机制 介质损耗与温度的关系 考虑漏电导时的介质损耗
2020年9月28日
1
1. 电介质的弛豫机制与松弛时间 热转向极化与热离子极化是常见的两种松弛极化。 它们有着不同的弛豫机制。
介绍弛豫机制； 不同模型假设下所引出的松弛时间； 为下节讨论 εr’ 、εr’’ 与温度关系打下基础。
2020年9月28日
16
将式 (4-111) 代入式 (4-112)， 即得到随时间变化的热离子极化强度：
4-113
式中松弛时间：
4-114
此式表明： 1）温度 T 一定时，固体介质中弱离子活化能 U 越大，
松弛时间τ亦越大，即极化建立时间越长。 2）对一定结构的介质，U 不变时，
则松弛时间τ 随温度 T 升高而呈指数关系减小，反之亦然。
4-111
式中，由电场引起的位能变化 △U＝ qδE/2
加电场
2020年9月28日
15
式 ( 4-111) 说明，加上电场后，存在过剩跃迁离子，位置 2 与 1 相比离子 比较集中，这破坏了原先电荷均匀分布状态，出现了偶极矩。 其极化强度为：
4-112
式中 ( n2 - n1 ) 除 2 说明过剩跃迁离子数为 ( n2 - n1 ) 的一半，其含义是： 当从 “1” 迁移到 “2” 的离子数比从 “2” 迁移到 “1” 的离子数净多一个 时 ( 即过剩迁移离子为一个 )，“2” 处虽多了一个，而 “l” 处却少了一个， 其差 ( n2 - n1 ) 便为 2，因此，计算极化强度时，应取其一半计算。
2020年9月28日
10
因此，平均来说，处在 “1” 位置与处在 “2” 位置的离子 数保持相等。
复介电常数 介质损耗 弛豫现象 德拜方程 弛豫机制 介质损耗与温度的关系 考虑漏电导时的介质损耗
2020年9月28日
1
1. 电介质的弛豫机制与松弛时间 热转向极化与热离子极化是常见的两种松弛极化。 它们有着不同的弛豫机制。
介绍弛豫机制； 不同模型假设下所引出的松弛时间； 为下节讨论 εr’ 、εr’’ 与温度关系打下基础。
2020年9月28日
16
将式 (4-111) 代入式 (4-112)， 即得到随时间变化的热离子极化强度：
4-113
式中松弛时间：
4-114
此式表明： 1）温度 T 一定时，固体介质中弱离子活化能 U 越大，
松弛时间τ亦越大，即极化建立时间越长。 2）对一定结构的介质，U 不变时，
则松弛时间τ 随温度 T 升高而呈指数关系减小，反之亦然。
4-111
式中，由电场引起的位能变化 △U＝ qδE/2
加电场
2020年9月28日
15
式 ( 4-111) 说明，加上电场后，存在过剩跃迁离子，位置 2 与 1 相比离子 比较集中，这破坏了原先电荷均匀分布状态，出现了偶极矩。 其极化强度为：
4-112
式中 ( n2 - n1 ) 除 2 说明过剩跃迁离子数为 ( n2 - n1 ) 的一半，其含义是： 当从 “1” 迁移到 “2” 的离子数比从 “2” 迁移到 “1” 的离子数净多一个 时 ( 即过剩迁移离子为一个 )，“2” 处虽多了一个，而 “l” 处却少了一个， 其差 ( n2 - n1 ) 便为 2，因此，计算极化强度时，应取其一半计算。
2020年9月28日
10
因此，平均来说，处在 “1” 位置与处在 “2” 位置的离子 数保持相等。
2014-第四章-4-交变电场中电介质的损耗-德拜方程
图 4-10
和
与ωτ 的关系
由图 4-10可见： εr’’/ (εrs-εr∞) 是变量 z ( 即 logωτ) 的对称函数
在变量 ωτ 的值处于 0.01 与 100 之间时，
εr’ 由 εr s 过渡到 εr∞，而 εr’’ 在 ωτ = 1 处出现最大值。
在电介质理论中：
100 ＞ωτ ＞ 0.01 区间成为弥散区域或介质反常区域。 这一区间电介质性质发生变化： 伴随介质极化，出现能量耗散，引起介质损耗。 研究介质处于弥散区的特性具有重要工程应用意义： 了解这种规律，有助于确定工程电介质工作频率，以求满足电路要求。 图 4-10 所示函数曲线是在某一温度下画出的，若温度变化 ( 降低或升高 )， 则 εr’’ 的最大值将发生向低频或高频方面移动的现象。
图 4-10
和
与ωτ 的关系
2）德拜方程的讨论
本节将主要讨论 εr’、εr’’ 与频率的关系。 此时，假设 εr’与εr’’ 都是温度的函数，且设 τ 也是已知的。
分别研究不同温度时，εr’，εr’’与频率的关系。
εr ’
～ω ， T
εr’’ ～ ω ， T
tgδ ～ ω ， T
（一）εr’(ω) ， εr’’(ω ) ，tgδ(ω) 频率关系
两组曲线均分别向高频移动。
图 4-9 (a) εr’的频率关系；(b) εr’’ 的频率关系； (c) tgδ 的频率关系
为了物理意义更清楚，引入一个新变量 Z ：
Z ＝ logωτ＝ log ω + log τ
借助于 Z 变量，式 ( 4-73 ) 和式 ( 4-74 ) 可以变为:
它们的函数关系示于图 4-10，由图可见： 1）εr’’/ (εrs - εr∞) 是变量 z ( 即 logωτ) 的对称函数； 2）变量 ωτ 的值处于 0.01 与 100 之间时，εr’ 由εr s 过渡到 εr∞； 3） εr’’ 在 ωτ = 1 处，出现最大值。
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。
第二讲 交变电场下电介质的损耗
2.2 介质损耗
研究介质损耗问题，实质上就是研究能量转 换问题。根据介质理论中关于介质损耗的定义， 它是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电 能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量。 电介质在直流电场中，单位时间内每单位 体积所消耗的能量为w＝γvE2 。而静介电常数 为εs的电介质在静电场中所储存的静电能密度 常用下面的方程来表示：
图2-1 理想电容器电流与电压的关系
下面接着分析电极间不是真空而是充满相 对介电常数为εr的电介质，显然，此时的电容量 具有新的值C＝εrC0，相应的电流变为 2-3 它比上述的电流要大εr倍。但是式(2-3)仅适用 于理想的电介质，即假设所填充的电介质是理想绝 缘的非极性电介质，此时，电流与电压仍然相差 90o相位。
2 电磁波在介质中的传播及复折射率 电磁波在介质中的传播，是以麦克斯韦 方程为基础的：
消去H，得出电磁波的传播方程： 2-15
在笛卡儿坐标系中，电介质中沿着x方向传播 的平面波的波动方程可表示为： 2-16
式中电场强度矢量E和磁场强度矢量H在对x 轴垂直的y—z平面内互相正交。
方程(2—16)的通解是： 2-17
但由于G＝γ S/d及C＝εr εoS/d (s-极板面积， d-介质厚度)当代入式(2-4)后，即可求出电流密度j 为：
2-5
此式中的第一项iωεrεoE实际上就是位移电流 密度jd，而其第二项γE亦即传导电流密度。
式(2-5)可写成
2-6
根据式(2-6)，可以由j＝γ*E引出复电导率 (complex conductivity) γ*： 2-7
2. l 复介电常数和复折射率
1 复介电常数 考虑一个平行平板式静电容量为C0＝εoS／d的 真空电容器。如果在该电容器上加上角频率为ω＝ 2πf的交流电压：
介质2
总之：电介质极化和去极化都需要时间
根据以上分析可以看出，如果介质的电导很小， 则松弛极化介质损耗的特征是tanδ在与频率、 温度的关系曲线中都出现极大值。
4。无机电介质的介质损耗
无机电介质结构特点：大多数都由离子构成的 固体电介质。 按照其结构可以将这种离子型无机电介质分成: 离子型晶体; 离子键无定形介质。
计入电导 是介质的电导率
0 ( rs ) 2 p [ ]E
2
陶瓷电容器的基本结构和云母电容器十分相似，只不过电介质 由云母变成了陶瓷薄片。我们在板卡上常见的陶瓷电容器通常为 贴片式，特别是在一些高端显卡上拥有很高的上镜率。由于陶瓷 的介电常数极高（1200），尽管其绝缘强度稍弱于云母（约为云 母的2/3），但依然可以在电介质较厚（极板间距较大）的情况下 获得较高的电容值。电介质厚度增加使得陶瓷电容的额定电压普 遍很高。
解: ’’峰值位置:
1 m , ' ( s ) 2
tanδ峰值位置:
1
m '
1 rs
s , tan 2 s
和tanδ~lgω关系曲线:
作业 3。查书，就以下材料，叙述其极化类型，以及 在各种频率下可能发生的极化形式。（下周 交） ＴiＯ２，PbTiO3， KCl 介电性能部分思考题（不交） P.192 1，2，5，6。
松弛型分散
共振型分散
上述吸收电流（松弛极化引起的）现象导致： 在交变电场中，介电常数是复数：ε*=ε’- iε’’
定义损耗角正切tanδ为：
tanδ =r’’／εr’
复介电常数的实部εr’与无功电流密度成正比；
虚部r’’为损耗因子，与有功电流密度成正比， 而引起电介质能量损耗的正是与极化弛豫有关 的有功电流。
第四章4交变电场中电介质的损耗德拜方程ppt课件
（2）εr ’’ ~ω 由式 ( 4-74 ) ，两种极端情形下。 即频率很低或频率很高时，εr’’ 值都很小； 而在其间频率范围内，εr’’ 先是随 ω 增升而增大，然后又随 ω 增高而减小，于某个频率下，εr’’ 将出现最大值。 εr’’ 的最大值，可以利用求极值的方法确定。
求出：
4-76
式中 ωm 为出现 εr’’ 最大值时的角频率。
图 4-10
和
与ωτ 的关系
4-72
4-73
4-74
4-75
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
前面已经指出： 松弛时间τ 是一个与时间无关但与温度有关的常数。 因此，讨论德拜方程时，须注意到 εr’ 与 εr’’ 大小既与频率 ω 有关，也与温度 T 有关；前者可从方程式中直接看出，而后 者隐含于介电常数和松弛时间与温度有关的特性中。 根据德拜弛豫理论模型，将松弛时间τ 表示为： 1nτ = 常数 + Uτ/kT 即 τ 随温度 T 的变化呈指教规律变化。
（1）εr’ ~ ω ，考虑两个极端情形：
频率很高时， ω→ ∞ ，由式 ( 4-73 ) 可知，εr’ ≌ εr∞ 。 此时，相对介电常数可用光频下相对介电常数来表示。 频率很低时， ( ω→0 ) ，εr’ ≌ εrs，静态相对介电常数。 此时，可用静态相对介电常数来表示。 对一般情况： εr’ 随频率 ω 增高而降低。 εr’ 从低频到高频可作成图分析，如图 4-9 ( a ) 所示曲线。
εr’ = (εrs+εr∞)/2；
tgδ＝(εrs-εr∞)/(εrs+εr∞) εr’’= εr’ tgδ= (εrs-εr∞)/2
求出：
4-76
式中 ωm 为出现 εr’’ 最大值时的角频率。
图 4-10
和
与ωτ 的关系
4-72
4-73
4-74
4-75
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
前面已经指出： 松弛时间τ 是一个与时间无关但与温度有关的常数。 因此，讨论德拜方程时，须注意到 εr’ 与 εr’’ 大小既与频率 ω 有关，也与温度 T 有关；前者可从方程式中直接看出，而后 者隐含于介电常数和松弛时间与温度有关的特性中。 根据德拜弛豫理论模型，将松弛时间τ 表示为： 1nτ = 常数 + Uτ/kT 即 τ 随温度 T 的变化呈指教规律变化。
（1）εr’ ~ ω ，考虑两个极端情形：
频率很高时， ω→ ∞ ，由式 ( 4-73 ) 可知，εr’ ≌ εr∞ 。 此时，相对介电常数可用光频下相对介电常数来表示。 频率很低时， ( ω→0 ) ，εr’ ≌ εrs，静态相对介电常数。 此时，可用静态相对介电常数来表示。 对一般情况： εr’ 随频率 ω 增高而降低。 εr’ 从低频到高频可作成图分析，如图 4-9 ( a ) 所示曲线。
εr’ = (εrs+εr∞)/2；
tgδ＝(εrs-εr∞)/(εrs+εr∞) εr’’= εr’ tgδ= (εrs-εr∞)/2
电介质的损耗
第二节电介质的损耗作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。
它是导致电介质发生热击穿的根源。
电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。
1 损耗的形式①电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。
气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。
非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。
而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。
它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。
电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。
绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。
②极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。
它与温度有关，也与电场的频率有关。
极化损耗与温度、电场频率有关。
在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。
用tg δ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。
`③游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。
电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。
但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。
即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。
这种损耗称为电晕损耗。
2 介质损耗的表示方法在理想电容器中，电压与电流强度成90o ，在真实电介质中，由于GU 分量，而不是90o 。
此时，合成电流为：；故定义：——为复电导率——复介电常数损耗角的定义：只要电导( 或损耗) 不完全由自由电荷产生，那么电导率σ本身就是一个依赖于频率的复量，故实部ε * 不是精确地等于ε，虚部也不是精确地等于。
复介电常数最普通的表示方式是：ε ' 、ε '' 都是领带依赖于频率的量，所以：3 介质损耗和频率、温度、湿度的关系1) 频率的影响（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。
第二章 交变电场中的介质极化和损耗
2
U
I a 有功电流振幅 = tgδ = I r 无功电流振幅
电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。 电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。
实际介质 实际介质
I I∞ IR 位 移 极 化 松 弛 极 化 Ir
Ira Irr
IR
介 质 漏 导
I I∞ δ ϕ U
I ra + I R ∴ tgδ = I rr + I∞
P = ε 0 (ε S − 1)E 当电场变化∆E，极化强度变化为 ∆P = ε 0 (ε S − 1) ⋅ ∆E ⋅ Q ∆P∞ = ε（ε ∞ − 1）∆E 0 ∴ ∆Pr = ∆P − ∆P∞ = ε（ε s − ε ∞）∆E ⋅ e ⋅ 0
−t τ
如E = E（t） 则：Pr t） （ =
−∞
∫ dP
t
ri
= ε（ε s − ε ∞） E（t i）e ⋅ 0 ∫
−∞
tdt i ⋅ τ
dt i ⋅ τ
P( t ) = ε 0 (ε ∞ − 1) ⋅ E( t ) + ε 0 (ε s − ε ∞ ) ∫ E( t i ) ⋅ e
−∞
−
t−ti τ
电介质的损耗和复介电常数
∞
三、Kramers-Kroning色散方程（与频率的关系） 当已知电介质的全电流关系，就可以求出复介电 常数与频率的关系。
& 如：E = E m e jωt ，并暂不考虑漏电流，由全电流公式： I（t） & & = = jωε ∞ ε 0 E（t） jω（ε s − ε ∞）ε 0 E（t） ϕ（x）e − jωx dx + J （t ） ∫ S 0
t
dU（u） ⋅ϕ（t − u）du ⋅ dt 0
U
I a 有功电流振幅 = tgδ = I r 无功电流振幅
电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。 电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。
实际介质 实际介质
I I∞ IR 位 移 极 化 松 弛 极 化 Ir
Ira Irr
IR
介 质 漏 导
I I∞ δ ϕ U
I ra + I R ∴ tgδ = I rr + I∞
P = ε 0 (ε S − 1)E 当电场变化∆E，极化强度变化为 ∆P = ε 0 (ε S − 1) ⋅ ∆E ⋅ Q ∆P∞ = ε（ε ∞ − 1）∆E 0 ∴ ∆Pr = ∆P − ∆P∞ = ε（ε s − ε ∞）∆E ⋅ e ⋅ 0
−t τ
如E = E（t） 则：Pr t） （ =
−∞
∫ dP
t
ri
= ε（ε s − ε ∞） E（t i）e ⋅ 0 ∫
−∞
tdt i ⋅ τ
dt i ⋅ τ
P( t ) = ε 0 (ε ∞ − 1) ⋅ E( t ) + ε 0 (ε s − ε ∞ ) ∫ E( t i ) ⋅ e
−∞
−
t−ti τ
电介质的损耗和复介电常数
∞
三、Kramers-Kroning色散方程（与频率的关系） 当已知电介质的全电流关系，就可以求出复介电 常数与频率的关系。
& 如：E = E m e jωt ，并暂不考虑漏电流，由全电流公式： I（t） & & = = jωε ∞ ε 0 E（t） jω（ε s − ε ∞）ε 0 E（t） ϕ（x）e − jωx dx + J （t ） ∫ S 0
t
dU（u） ⋅ϕ（t − u）du ⋅ dt 0
6电介质的极化、电导与损耗ppt课件
AA
令： P Q ' A
Q0
Q' A
Q0 A
Q' A
0E
P
D
P：极化强度
n
P Q ' Q ' d i1 Mi
A Ad V
极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。
;
2、电介质极化种类 极化的基本形式：
（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
;
;
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。
;
（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。
H O. H . +.
H2O ;
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；
令： P Q ' A
Q0
Q' A
Q0 A
Q' A
0E
P
D
P：极化强度
n
P Q ' Q ' d i1 Mi
A Ad V
极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。
;
2、电介质极化种类 极化的基本形式：
（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
;
;
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。
;
（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。
H O. H . +.
H2O ;
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；
介电常数和介质损耗角正切
介电常数和介质损耗角正切
介电常数和介质损耗角正切
在电场作用下，能产生极化的一切物质又被称之为电介质。电 介质在电子工业中用来做集成电路的基板、电容器等。如果将一 块电介质放入一平行电场中，则可发现在介质表面感应出了电荷， 即正极板附近的电介质感应出了负电荷，负极板附近的介质表面 感应出正电荷。这种电介质在电场作用下产生感生电荷的现象， 称之为电介质的极化。 感应电荷产生的原因在于介质内部质点 (原子、分子、离子)在电场作用下正负电荷重心的分离，变成了 偶极子。不同的偶极子有不同的电偶极矩，电偶极矩的方向与外 电场方向一致。
(1)湿度
(2) 温度
影响因素
(3)测试电压
板状试样:电压2KV影响不大,过高则增加附加损耗. 薄膜:电压低于500V.过大使tgδ明显增加. (4) 测试用接触电极 高频下,电极的附加损耗变大,因而电极材料本身的电阻一定要小.
高聚物的介电性能
高聚物 ρv体积电阻率 （.m） 击穿强度 (MV/m) 介电常数 （60Hz） 介电损耗角正 切值 （60Hz）
基本概念：
• 介质损耗角 对电介质施加交流电压，介质内部流过的电流 相量与电压相量之间的夹角的余角。 • 介质损耗角正切 对电介质施以正弦波电压,外施电压与相 同频率的电流之间相角的余角δ的正切值--tgδ. 其物理意义是：
一些材料的ε数值：
石英 — 3.8；绝缘陶瓷 — 6.0； 耐热玻璃 3.8 — 3.9; 纸 — 70 PE — 2.3； PVC — 3.8 有机玻璃 — 2.63 高分子材料的ε由主链结构中的键的性能和排列所决定。 • 分子结构极性越强, ε和tg越大. 非极性材料的极化程度小,ε和tg都较小. • 极性取代基团影响更大,其数目越多, ε和tg越大
介电常数和介质损耗角正切
材料极化
四、介电常数和介质损耗角正切
基本概念：
• 介电常数：以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电 容器的电容量之比值。 表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。是 表征电介质极化并储存电荷的能力，是个宏观物理量。
• 介质损耗 置于交流电场中的介质，以内部发热(温度升高)形 式表现出来的能量损耗。
0. 001 <0. 005 0.040.08(1016Hz) 0. 01 0. 014 0.021 0.005 0.006 0. 0002 0.01-0.006 0.004
其它电性能指标
• 相比漏电起痕指数(CTI) 材料表面能经受住50滴电解液而没有形成漏电痕迹的最高 电压值，以伏(v)为单位。
高聚物
ρv体积电阻率 （.m）
高聚物的介电性能
击穿强度 (MV/m)
介电常数 （60Hz）
介电损耗角正 切值
（60Hz）
聚乙烯 （高密度） 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 尼龙6 尼龙66 涤纶 聚甲醛 聚碳酸酯 聚四氟乙烯 聚砜 丁苯橡胶
1014
>1014 1014 1012-1015 1012-1015 1012 1012-1016 1012 1014 1016 1014 1013
验前应对试样表面进行清洁处理。
(2)试验点间距选择 如果在同一片试样上做多点试验，则应注意试验点之
间要有足够的距离。该间距的大小应选在前一次试验后飞溅出的污物所
污染的部分以外，否则使结果发生偏差。
(3)环境条件的影响
除保持温度在23± 1℃条件下试验外，还应注意周
围的空气尽量不要流动。空气的流动导致液滴落点的偏离，这是试验所
26-28
30 24 15-25 22 15-19
介电常数和介质损耗角正切
2.2-2.4(1016Hz) 2.0-2.6(1016Hz) 2.5(1016Hz) 3.2-3.6(1016Hz) 4.1 4.0 3.4 3.7 3.0 2.0-2.2 2.9-3.1 2.2
<0. 05 0. 001 <0. 005 0.040.08(1016Hz) 0. 01 0. 014 0.021 0.005 0.006 0. 0002 0.01-0.006 0.004
影响因素
材料的极性越强受湿度的影响越明显。主 要原因是高湿的作用，使水分子扩散到高分子的分子 间，使其极性增加；同时,潮湿的空气作用于塑料表面, 几乎是在几分钟内就使介质表面形成一个水膜层,它具 有离子性质,增加表面电导. 因此,材料的介电常数和介 质损耗角正切tgδ都随之增加. 试样的状态调节和测试都应在标准环境.
介电性的应用
tg 大，损耗大，材料发热。 • 电容介质 大，tg 小
作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好
航空航天材料 小，tg 大，静电小 • 高频焊接：薄膜封口，tg 大
•
需要通过高频加热进行干燥,模塑或对塑料进行高频焊接时,要求 高聚物的介电损耗越大越好. •
高频电缆—用PE(非极性)而不用PVC (极性)
基本概念：
• 介质损耗角 对电介质施加交流电压，介质内部流过的电流 相量与电压相量之间的夹角的余角。 • 介质损耗角正切 对电介质施以正弦波电压,外施电压与相 同频率的电流之间相角的余角δ的正切值--tgδ. 其物理意义是：
一些材料的ε数值：
石英 — 3.8；绝缘陶瓷 — 6.0； 耐热玻璃 3.8 — 3.9; 纸 — 70 PE — 2.3； PVC — 3.8 有机玻璃 — 2.63 高分子材料的ε由主链结构中的键的性能和排列所决定。 • 分子结构极性越强, ε和tg越大. 非极性材料的极化程度小,ε和tg都较小. • 极性取代基团影响更大,其数目越多, ε和tg越大