材料的介电性能

2
U为外施加电压；U0为气体的电离电压
②结构损耗
结构损耗 是在高频、低温下，与介质内部结构
的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温 度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但 tgδ则和频率无关。
一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗； 在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在低 温、高频下主要为结构损耗。
（2）介质损耗的表示
当容量为C0=0A/d的平板电容器上加一交变电压 U=U0eiwt。则：
电容器极板间为真空介质时，电容上的电流为：
dQ I0 iC0U dt
电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：
dQ I0 iCU rU dt
由 j E 定义复电导率
电子位移极 一切陶瓷 化 离子位移极 离子结构 化
直流——光 频 直流——红 外 离子松弛极 离子不紧密 直流——超 化 的材料 高频 电子位移松 高价金属氧 直流——超 弛极化 化物 高频 转向极化 有机 直流——超 高频 空间电荷极 结构不均匀 直流——高 化 的材料 频
无关
温度升高极 化增强 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值


i

由 j i E 定义复介电常数 i i


损耗项 定义损耗角 tg 电容项
损耗角正切的倒数Q就表示电介质的品质因数，希望它的值高。
（3）频率的影响
εr，tgδ，p与ω的关系
• 在 m 下，损耗角正切值达最大值，即可得
Eloc E0 Ed Ei
P Ni i Eloc
r 1 1 N i i r 2 3 0 i
i i Eloc
P 0 ( E0 Ed )( r 1)
荷电质点的平均偶极矩正比于 作用于质点上的局部电场
r 1 1 N i i r 2 3 0 i
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
有
6.1.3 宏观极化强度和微观极化率的关系
(1) 有效电场：
+ + + +
Ed -
作用于分子、原子上的有效电 场 外加电 场E0 电介质极化 形成的退极 化场Ed 周围的 荷电质 点作用 形成Ei
+ + + +
-
+
+ E0 ++
Ei ++ -++ + - - -
平行板电容器在真空：
C0
Q 0 A / d V
在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，C>C0
C r C0 r 0 A / d
真空介电常数：ε0 =8.85×10-12 F. m-1(法拉/米) C r 相对介电常数：εr C0 0 介电常数（电容率）： =0r(F/m) 介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。
感应电荷（束缚电荷）：在真空平板电容器中嵌入 一块电解质加入外电场时，在整机附近的介质表面 感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的 正电荷。
极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。
极化电荷：电介质在外电场的作用下，在和外电场相 垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不 能自由移动，也不能离开，总保持中性。
P=Σμ/ΔV
Σμ：电介质中所有电偶极矩的矢量和 ΔV： Σμ所有电偶极矩所在空间的体积
6.1.2 极化类型 电子位移极化，离子位移极化，转向极化 ，空间电荷极化，分别对应电子、原子、 分子和空间电荷情况。
•
位移极化，由电子或离子位 移产生电偶极矩而产生的极化。 分为电子位移极化和离子位移极 化。
-
E宏观 E0 Ed
Eloc E宏 P / 3 0
（2）克劳修斯-莫索堤方程
极化强度P可以写为单位 体积电介质在实际电场作 用下所有电偶极矩的总和
P Ni i
单位体积第 第i种偶极子 i种偶极子 平均偶极矩 数目 局部电场 第i种偶极子 电极化率

P Ei 3 0
（5) 空间电荷极化
非均 匀 介 质 中 ， 正 负 离 子 分别向负、正极移动，产生电 偶极矩，即空间电荷极化，在 电极附近积聚的就是空间电荷。 在物理阻碍：晶界 ，相界， 自由表面，缺陷等处，自由电 荷积聚就可形成空间电荷极化。 在夹层、气泡处形成的称为界 面极化。
特点：
反应时间很长，几秒到数十分钟； 随温度升高而减弱； 存在于结构不均匀的陶瓷电介质中； 非弹性极化；
d +-
（2）离子位移极化：
外电场作用下，负离子和正离子相对于它们的正常位置发 生位移，形成一个感生偶极矩。
①反应时间为10-13S ②可逆; ③温度升高，极化增强； ④产生于离子结构电介质中
a3 a 4 0 n 1
离子位移极化率：
式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数， 对于离子晶体n 为7-11
6.1.5 材料的介质损耗
(1)无机材料的损耗形式主要有：
电离损耗 结构损耗
①电离损耗
电离损耗主要发生在含有气相的材料中。含有
气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气 体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而 吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功 率可以用下式近似计算：
Pw AU U 0
离子驰豫极化：
弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散 的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自 身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联 系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的 极化为离子弛豫极化。 不可逆；反应时间为 变化有极大值。
q 2 2 Ta 12kT
10-5－10-2S；随温度
相对介电常 数 宏观介电常 数 偶极子种 类 极化率
偶极子数 目
r 1 1 ( N11 N 2 2 N 3 3 N 4 4 ) r 2 3 0 i
电子位 离子位 移极化 移极化 取向 极化 空间电 荷极化
微观介电机 制
• 上式表明，研制高介电常数的方向，应选择大的 极化率的离子，同时选择单位体积内极化质点多 的电介质。
（2）离子晶体的损耗
离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不
紧密的离子晶体。
结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密，排 列很有规则，离子键强度比较大，无极化损 耗。 结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙
或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子
的活动范围扩大，损耗较大。
（3）玻璃的损耗
复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：
m

1 rs

（2）温度的影响
ε r、tgδ 、P与T的关系
（3）湿度的影响
介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增
加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗
增加，而使tgδ增大。
对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特 别突出，如，纸内水分含量从4％增加到10％时， 其tgδ可增加100倍。
6.1 介质的极化与损耗
6.1.1 介质极化相关物理量
电容 ：两个临近导体加上电压后存储 电荷能力的量度。是表征电容器容 纳电荷的本领的物理量
电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF) 和皮 法(pF)
介电常数 1）材料因素：ε 材料在电场中被极化的能力
2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积
表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面 电导也会引起较大的损耗。 大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大， 主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷 固溶体，多晶形转变等。
6.1.6降低材料的介质损耗的方法
选择合适的主晶相。


改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶 体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。
小结： （1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。 （2）材料的组织结构影响极化机制。 离子、转向极 化 空间电荷极化 原子种类和键合类型 面缺陷
（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的 时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围 内才有显著的贡献。
各种极化形式的比较
极化形式 极化的电介 极化的频率 与温度的关 质种类 范围 系 能量消耗
材料
二氧化硅玻璃 金刚石 -SiC 多晶ZnS 聚乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯
频率范围/Hz
102-1010 直流 直流 直流 60 60 60
相对介电常数
6.78 6.6 9.70 8.7 2.28 6.0 6.5
钛酸钡
刚玉
106
60
6000
9
介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料
电介质：在电场作用下能建立极化的物质。
电导损耗、松弛损耗和结构损耗。
哪一种损耗占优势，决定于外界因素――
温度和外加电压的频率。
玻璃的tgδ与温度的关系 1、结构损耗； 2、松弛损耗
3、电导损耗； 4、总 损 耗
Na2O－K2O－B2O3玻璃 的tgδ与组成的关系
（4）陶瓷材料的损耗
主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结
构损耗。
（1）电子位移极化
材料在外电场的作用下，分子或原子中的正负 电荷产生相对位移，中性分就变成偶极子。 ①这种极化可以在光频下进行，10-15s； ②弹性，可逆； 4 3 ③与温度无关； e 0 R ④产生于所有材料中； 3 电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关
E + -
电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子电解 质----分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点 偶极子？
电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重 心重合将产生分离，产生电偶极矩。
Q：所含电量； l：正负电荷重心距离
据分子的电结构，电介质可分为：
极性分子电介质：H2O;CO（有）
非极性分子电介质：CH4;He 电极化强度（P） ：电解质极化程度的量度 （C/m2）.
（3）驰豫极化
外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与 带电质点的热运动密切相关。热运动使这些质 点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时 建立了极化状态。为非可逆过程。
电子驰豫极化
由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，化 学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变， 导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子， 在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。 不可逆；反应时间为10-9 －10-2S；产生于Nb、 Bi、Ti为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有 极大值。
Ta极化率 ；q为离子荷电量； δ为弱离子电场作用下的迁移；
（4）转向极化
存在固有偶极矩，无外电场时，混乱排列，使总极 矩=0，有外电场作用时，偶极转向，成定向排列，从 而产生介质极化。
02 d 3kT
为无外电场时的均方偶极矩。
特点：Baidu Nhomakorabea
①非弹性的，不可逆； ②形成极化时间较长； ③温度对介电常数有很大影响。
第六章 其它功能特性
第一节 介电性能
引言
在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材 料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流 的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能， 以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要， 围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作 用下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体 的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为 其主要内容。 随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新 技术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料 来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用 、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相 同。
以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以 研究物质内部电极化过程。 固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利 用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁 电性等，从而引起了广泛的研究。实际上，这些性 质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子) 以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在，固 态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭 的领域。特别是在激光出现以后，研究晶态电介质 与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态 非线性光学。
6.1.4 介质损耗
损耗的形式 介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系
（1）损耗的形式
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。
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。
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。