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
电介质均匀极化
电介质均匀极化电介质是一种能够在电场作用下发生极化的物质。
当一个电介质置于外电场中时，其分子或原子会发生重新排列，使得电介质内部产生一个与外电场相反的极化电场。
这种现象就是电介质的均匀极化。
电介质的极化是由于电场对电介质内部正负电荷的分离作用。
在外电场作用下，正电荷向电场方向运动，负电荷则向相反方向运动，产生了一个极化电场。
这个极化电场与外电场的叠加，形成了电介质内部的总电场。
电介质的极化可以通过两种方式实现：取向极化和变形极化。
取向极化是指电介质分子或原子在外电场作用下，由于受到电场力的作用，发生取向排列，使得正负电荷分离。
这种极化主要发生在极性分子中，如水、酒精等。
变形极化是指电介质由于外电场作用下，发生形状变化，从而使得正负电荷分离。
这种极化主要发生在非极性分子中，如氧气、氮气等。
电介质的极化程度可以用极化强度来衡量。
极化强度是指单位体积内极化电荷的总和，它与电场强度之间存在一定的关系。
极化强度的大小决定了电介质的极化程度，即电介质内部产生的极化电场的大小。
电介质的极化对电场的传播和电磁波的传输有重要影响。
在电介质中，极化电场会削弱外电场的作用，使得电场在电介质中的传播速度变慢。
同时，电介质的极化还会改变电磁波的传输特性，如折射、反射、吸收等。
电介质的均匀极化还可以用来制造电容器。
电容器是一种能够存储电荷的装置，它由两个导体板和介质组成。
当电介质置于两个导体板之间时，介质发生均匀极化，形成了一个极化电场。
这个极化电场与导体板上的电荷相互作用，使得电荷能够在电介质和导体板之间来回移动，从而实现了电荷的存储。
电介质的均匀极化还具有其他一些应用。
例如，在电子设备中，电介质的极化可以用来制造电子器件，如电容器、电感器等。
在光学领域，电介质的极化可以用来制造偏振器、光学器件等。
在材料科学中，电介质的极化可以用来改变材料的性质，如增加材料的介电常数、改变材料的导电性等。
电介质的均匀极化是电介质在外电场作用下产生的一种重要现象。
电介质的极化响应
S
4 d 3
3
Q
4 R3
d3 R3
Q
3
ES
Qd
40 R3
f
Q2d
40 R3
即： Qd 40R3 E 所以： e 40 R3
4 8.851012
0.781010
3
100
5.31039(C m)
2.圆周轨道模型
用玻尔原子模型来考虑
被研究原子。即，一个
电电荷-Q沿着环绕电荷
o
为+Q的原子核作轨道运
1.证明氢原子的电子位移极化率αe=4πε0R3, ε0=8.85*1012 F/m。
2. 若氢原子处于E=100 V/m 的电场中，求氢原子的感
应电矩μ。
R
Q
解：如图所示，在电 场E的作用下，原子核
F f
相对电子云中心位移 S 距离为d，
dE
则：F=f F=QE f=QES
0 ESdS 4d 20 ES q
E0
r
,C
rC0
电介质因极化使电场比真空时减少1/r倍，而电 容量增大r倍。
电介质极化的微观概念
极化的微观概念：在电场作用下，虽然正电荷沿
电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并 不能离开介质形成电流，只能产生微观尺度的相对 位移——出现偶极矩，这个现象叫做极化。
E
非极性介质
离子型介质
极性介质
定义：r
r
Ei
微观极化率，与电介质性质相关的常数
r
r
由此：
P r
N Ei
——微观极化
r
P 0 (r 1)E ——宏观极化
微观-宏观 的联系
克劳修斯方程
《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
电介质的极化与极化率的计算
电介质的极化与极化率的计算电介质是一类具有良好绝缘性能的材料，当电介质置于电场中时，它会产生极化现象。
电介质的极化与极化率是电学领域中一个重要的概念，通过极化率的计算可以了解电介质在电场中的响应情况。
1. 极化现象简介极化现象是电介质在外加电场作用下，各个原子、离子或分子发生重新排列，形成正负电荷分离的过程。
这种分离引起了电介质内部电位能的变化，使电介质内部发生极化现象。
2. 极化方式电介质的极化方式可以分为电子极化、离子极化和定向极化。
电子极化是由于电场的作用，电子云向电场方向移动而产生的极化。
离子极化是由于电场作用使正负离子分离而产生的极化。
定向极化则是在有外加电场的情况下，有序分子在电场中重新排列而产生的极化。
3. 极化率的定义极化率是用来描述电介质极化程度的物理量。
它是一个比例系数，用来衡量单位体积内电介质极化时所产生的电偶极矩与外加电场之间的关系。
极化率的单位是库仑/米（C/m²）。
4. 极化率的计算极化率可以通过以下公式来计算：P = ε₀χE其中，P是电介质的极化电偶极矩，ε₀是真空介电常数，χ是电介质的电极化率，E是外加电场的强度。
5. 极化率计算的影响因素电介质的极化率与其化学组成、晶体结构、温度等因素有关。
不同的材料具有不同的极化率，常见的电介质如氧化铝、石英等都有一定的极化率。
6. 极化率的应用极化率在电介质的性能研究、电容器和介质材料的选择等方面有着广泛的应用。
通过测量电介质的极化率，可以评估电介质的绝缘性能，为电子元件和电路的设计提供依据。
7. 极化率与介电常数的关系介电常数是描述电介质在电场中的性质的物理量。
它与极化率之间存在如下关系：ε = ε₀(1 + χ)其中，ε是介电常数，ε₀是真空介电常数，χ是极化率。
介电常数是电介质对电场的响应能力的度量，也可以通过极化率来计算。
总结起来，电介质的极化与极化率的计算是电学领域中重要的内容。
极化率提供了衡量电介质极化程度的指标，并广泛应用于电介质的性能研究与电路设计中。
直流电介质极化
直流电介质极化
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。
电介质的极化
•7.8 静电场中的电介质 7.8
交变电场
水、油分子反复极化
摩擦生热、 摩擦生热、共振
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2. 无极分子
位移极化
微观表现： 无极分子在外场的作用下正负电荷中心 微观表现： 发生偏移而产生的极化称为位移极化 位移极化。 发生偏移而产生的极化称为位移极化。 原子、分子尺度。 原子、分子尺度。 宏观表现(均匀介质)：介质表面出现极化电荷(波炉加热的原理
静电场中的电介质
电介质 (Dielectric)，就是绝缘体 —无自由电 ， 无自由电 不导电。 子，不导电。
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导体放入静电场中，…… 导体放入静电场中，
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§7-8 静电场中的电介质
电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 绝缘体放入静电场中，会产生什么作用呢 绝缘体放入静电场中，
±
有极分子： 分子的正、 有极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时不重 分子存在固有电偶极矩 固有电偶极矩。 合，分子存在固有电偶极矩。 p
-q +q
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在无外电场时，无论哪种电介质， 在无外电场时，无论哪种电介质，整体都呈现 电中性。 电中性。为什么
分子排列杂乱无章 如果给电介质加上外场呢
极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷 极化电 极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷(极化电 束缚电荷)的现象称电介质的极化 的现象称电介质的极化。 荷或束缚电荷 的现象称电介质的极化。
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电介质的极化是怎样产生的呢 电介质的极化是怎样产生的呢 极化 *一、 电介质的电结构 一 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 不存在固有分子电偶极矩。 不存在固有分子电偶极矩。
《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 ]
电介质的极化
§3.3 电介质的极化：
一、极化：在外电场的作用下，电介质所发生的变化称之。
二、位移极化：无极化分子的极化。
在外电场的力矩作用下，正负电荷的“重心”发生反向位移而分开的变化。
图
由0P = 变为0P ≠ 。
三、取向极化：有极分子的极化。
在外电场的力矩作用下，分子偶极矩发生转向（趋于和外电场方向一致）的变化。
由0i P =∑
变为0i P ≠∑。
实际上，从机理上分析，有极分子的极化，不是单纯的取向极化，由于电场力的作用，同时还有位移极化，只不过是谁大谁小的问题。
四、极化强度矢量P
1、P ：定量描述电介质极化程度的宏观物理量。
2、极化的实质：
不论是哪种介质，极化前0i P =∑
，而极化后，则0i P ≠∑ 。
即极化是分子极矩和由
零到非零的变化。
3、P 的定义：1m i
i P P τ==∆∑
τ∆为物理无限小体积。
因而： P
是宏观矢量点函数。
4、P 与E 的关系：
实验表明：在各向同性电介质中
0P E εχ=
χ：称为极化率，取决于电介质的性质。
当χ处处相同时，亦称为均匀介质。
各向同性：指P 与E 的关系式与方向无关。
各向异性中，用极化率张量描述。
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。
第九章 第一节 电介质的极化
2）液体介质可分为非极性、极性和强极性3种。
非极性（或弱极性）液体的相对介电常数在 1.8~2.5，变压器油等矿物油属此类。
极性液体的相对介电常数在2~6，如蓖麻油、氯化 联苯即属此类。 强极性液体的相对介电常数很大（>10），如酒精、 水等，但这类液体介质的电导也很大，所以不能用 做绝缘材料。
2. 离子式极化
在离子式结构的电介质中， 当有外电场作用时，则除了 促使各个离子内部产生电子 式极化之外，还将产生正负 离子的相对位移，使正负离 子按照电厂的方向进行有序 排列，形成极化，这种极化 称为离子式极化
图9-3 离子式极化 （a）无外加电场；（b）有外加电场
完成离子式极化所需的时间也很短，约10-13s ，其极化响应
第九章 高压设备的绝缘试验
第一节 电介质的极化
高压设备
变压器、互感器、断路器 设备的导电部分要用气体、液 体、固体绝缘材料或它们的组 合与接地的外壳或支架隔离开， 以保持设备的正常运行。
在电场的作用下，绝缘物 质会发生各种物理现象： 极化、损耗、电离、击穿 放电等等 但有些现象至今未能从 理论上获得完满的解释， 因此在高电压技术领域 中，不论是教学还是科 研，都要倚重试验技术。
速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。 离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化。
3. 偶极子式极化—有损极化
在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时， 偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种 极化被称为偶极子式极化，或转向极化。
图9-4 偶极子式极化 （a）无外加电场；（b）有外加电场
电介质极化
电介质极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。
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。
电介质的极化机制[1]①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e ＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。
当电场不太强时,电偶极矩p e同有效电场成正比,p e=αe E,式中αe称为电子极化率。
②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩p a。
p a与有效电场成正比,p a=αa E，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。
③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。
在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。
在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。
在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。
固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。
这种极化同温度的关系密切。
④界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。
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
电介质极化与电场能量
电介质极化与电场能量一、电介质的极化现象在电学中，电介质是指一类可以被加电场极化的物质。
在外加电场的作用下，电介质内部的正负电荷会发生重新排列，从而形成电偶极矩。
这一现象被称为电介质的极化。
电介质的极化可以通过电偶极矩在电场中的取向方式来描述。
当电介质中的电偶极矩取向与电场方向一致时，称为顺向极化；当电偶极矩取向与电场方向相反时，称为逆向极化。
在极化过程中，电介质的极化强度可以用极化矢量来表示，它的大小与电介质内的电偶极矩有关。
二、电介质的极化现象对电场能量有重要的影响。
首先，电介质极化可以改变电场的分布。
在外加电场的作用下，电介质内部的极化会引起电场的重新分布，使绝缘体内部的电场强度发生改变。
这种电场分布的改变，会导致电场能量的重新分配。
在电介质中，电场能量主要分布在两部分：一部分是介质的极化能量，另一部分是电介质内的电能。
电介质极化所导致的电场能量的变化可以通过电介质中的极化电能来描述。
极化电能是指电场通过电介质中的电偶极矩进行功的能量。
在外加电场下，电场对电介质中的极化电偶极矩进行功，将电荷从一个位置移动到另一个位置，从而改变了电介质内部的电势能。
这个变化的过程中所消耗的能量即为极化电能，它可以用来描述电介质极化所引起的电场能量的变化。
电介质极化还会引起电场能量的损耗。
在电介质的极化过程中，电偶极矩的重新排列涉及到电介质内部的电荷运动，从而产生额外的电流和耗散功。
这部分功即为电介质极化所引起的电场能量损耗，它将引起电场能量的流失。
三、电介质极化的应用电介质极化的特性决定了它在电学中的广泛应用。
其中最为重要的是电容器。
电容器是一种用于储存电场能量的器件，它由两个导体板和介质组成。
根据电介质的特性，电容器的极化现象被广泛应用于电力系统、电子电路和通信设备等领域。
通过优化电介质的极化特性，可以提高电容器的性能，使其在电场能量储存和传输方面更加有效。
此外，电介质极化还被应用于传感器、激光器、振荡器等各种电子器件中。
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(a)
图1-5 双层介质中电荷和电位分布 （a）合闸初瞬时；（b）稳态时
(b)
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1.1.1
极化种类
电子式极化
离子式极化 偶极子极化 夹层极化
电介质的极化
产生场合
任何电介质
离子式结构电 介质 极性电介质 多层介质的交 界面
为便于比较，将上述各种极化列为下表
所需时间
10-15 s
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1.1.1
电介质的极化
一、极化的概念和极化的形式
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
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1.1.1
电介质的极化
电子式极化：由于电子发生相对位移 而发生的极化。
U=3
G2
+ +1 U1=1 C1 _ -1 + +4 U2=2 C2 _ -4
G1 U=3
G2
合闸初瞬，根据式（1-1）可得， 则U1=2V，U2=1V，Q1=U1C1=2C， Q2=U2C2=2C，如图1-5（a）所示； 稳态时，根据式（1-2）可得， U1=1V，U2=2V，则Q1=U1C1=1C， Q2=U2C2=4C，如图1-5（b）所示； 分界面上堆积的电荷为＋4－1＝ ＋3C。
r 大些好。
用作其它设备的 绝缘介质时，希 望 r 小些好。
r 的配合。 r
小的电介质其
电气强度应高 些。
在绝缘试验中，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。在使用电容 器等大容量设备时，须特别 注意吸收电荷对人身安全的 威胁。
1.1.1
电介质的极化
【学习任务】了解电介质在电场作用下的极化 现象，熟悉各类电介质极化的特点，了解介电 常数的物理意义及电介质极化在工程上的意义。
1.1 绝缘材料的电气性能
重庆电力高等专科学校
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1.1.1
电介质的极化
无论何种结构的电介质，在没有外电场作用 时，内部的正、负电荷处于相对平衡状态， 整体上对外没有极性。 当有外电场作用时，均匀介质内部各处仍呈 电中性，但在介质表面要出现异号电荷（靠 近正极板的表面出现负电荷，靠近负极板的 表面出现正电荷），这种电荷不能离开电介 质到其它带电体，也不能在电介质内部自由 移动，我们称它为束缚电荷。它不象导体中 的自由电荷能用传导方法将其引走。因此， 在外电场作用下，电介质表面出现束缚电荷 的现象，我们称为极化。
特点：时间较长，非弹性极化,有能 每个极性分子都是偶极子，具有一定的电矩， 量损耗. 但当不存在外电场时，这些偶极子因热运动而 杂乱无序地排列着，宏观电矩等于零，整个介 存在于极性材料中 质对外并不表现出极性
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1.1.1
电介质的极化
+ U1 _ + K U2 _ C2 G2 K C1 G1 U U
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二、介电常数
相对介电常数：
相对介电常数εr的值由电介质的材 料决定，并且与温度、频率等因素 有关。 气体电介质因密度很小，极化程度 很弱，因而一切气体的εr应用时都 可看作1。 在工频电压下、温度为20℃时，常 用的液体、固体电介质的εr大多在 2～6之间，如表1-2、1-3所示。
在电场作用下电介质会产生许多物理现象，如极化、电导、游离、 损耗和击穿放电等现象，正确理解和认识这些现象，对我们进行绝 缘结构的合理设计、绝缘材料的合理利用以及对绝缘性能的准确评 估有着非常重要的意义。
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学习情境一
绝缘介质电气性能及击穿过程
子情境1.1 绝缘材料的电气性能 子情境1.2 气体绝缘材料及其击穿特性 子情境1.3 液体绝缘材料及其击穿特性 子情境1.4 固体绝缘材料及其击穿特性
任何电介质都是由原子组成，原子为带正 电荷的原子核和带负电荷的外层电子组成， 特点：时间短，弹性极化, 其电荷量相等，正、负电荷作用中心重合， 对外不显电性。 无能量损耗 而在外电场作用下，原子外层电子轨道相 存在于一切材料中 对于原子核产生位移，其正、负电荷作用 中心不再重合，对外呈现出一个电偶极子 的状态。
表征电介质在电场作用下极 化程度的物理量
r 0
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二、介电常数
电介质极化在工程上的意义：
选择电介质时， 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 几种绝缘介质 组合在一起使 用时，应注意 介质损耗 是影响绝 缘劣化和 热击穿的 一个重要 因素。如 极性介质 的 享课程
1.1.1
电介质的极化
离子式极化
离子式极化发生于离子结构的电介质中。固 体无机化合物（如云母、陶瓷、玻璃等）多 特点：时间短，弹性极化, 属于离子结构。
无能量损耗 在无外电场作用时，每个分子的正、负离子 的作用中心是重合的，故不呈现极性。 存在于离子结构物质中
在外电场作用下，正、负离子偏移其平衡位 置，作用中心不再重合，使整个分子呈现极 性。
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1.1.1
思考题
电介质的极化
1、何为极化？极化型式有哪几种？分别有何特点？ 2、表征电介质在电场作用下极化程度的物理量是什么？作为电气设 备的绝缘介质以及作为电容器的绝缘介质，希望该量大些好，还是小 些好？为什么？
(a)
(b)
图1-4 夹层极化物理过程示意图 （a）示意图；（b）等值电路
实例分析 高电压技术精品资源共享课程
1.1.1
夹层式极化
电介质的极化
+ +2 U1=2 C _ -2 1 +2 C2 -2 G1
设图1-4（b）中C1=1F，C2=2F， G1=2S，G2=1S，U=3V，为了说明的 + =1 简便，全部参数均采用基本单位。 U2_
10-13 s 10-10～10-2 s 10-1 s～数小 时
能量损耗
无
几乎没有 有 有
产生原因
束缚电子运行 轨道偏移
离子的相对偏 移
偶极子的定向 排列
自由电荷的移 动
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1.1.1
电介质的极化
二、介电常数
介电常数：表征电介质在电场作用下极化程度的物理量.
1.1 绝缘材料的电气性能
夹层式极化
前面所讲的三种极化均是在单一电介质中 以平行板电极间的双层电介质为例说明夹层极 发生的。但在高压设备中，常应用多种介 C2 G2 特点： 时间很长，非弹性极化，有能量损耗 合闸后，两层介质上的电压有一个重新分配 到达稳态时，等值电路中电容支路相当于开路， ，即 一般来说，对两层不同的介质， 化过程。 质绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器 两层介质上的电压分配与各层电导成反比，即 的过程. C G1 1 存在于多种材料的交界面 等，两层介质中常夹有油层、胶层等，这 在开关 K刚合闸瞬间（相当于施加很高频率的电 结果使两层介质的分界面上出现了不等量的 时在介质的分界面上会产生“夹层极化” 当绝缘受潮时，由于电导增大，极化完成 压），等值电路中电容支路的容抗远小于电导 异号电荷，从而显示出电的极性来（分界面 U1U1 U G 现象。 时间将大大下降。 支路的电阻，两层介质上的电压分配与各层电 12 上正电荷比负电荷多，呈现正极性，否则， G 容成反比，即 对使用过的大电容设备，应将两电极短接 U 2U 2 U U 1 呈现负极性）。 C t 2 1 2 t 0 t 并彻底放电，以免有吸收电荷释放出来， 这种使夹层电介质分界面上出现电荷积聚的 U2 C1 t 0 过程称为夹层式极化。 危及人身安全。
1.1 绝缘材料的电气性能 重庆电力高等专科学校
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子情境 1.1
绝缘材料的电气性能
认识绝缘 材料（电 介质）在 较低电压 下的电气 性能
重庆电力高等专科学校
1.1 .1 电介质的极化
1.1.2 电介质的电导
1.1.3 电介质的损耗
1.1 绝缘材料的电气性能
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高电压技术
重庆电力高等专科学校 刘赟 讲师
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高电压技术课程内容
绝缘 材料
绝缘 试验
过电压 保护
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学习情境1：绝缘介质电气性能及击穿过程
绝缘的概念：将不同电位的导体分开，使之在电气上不 相连接。具有绝缘作用的材料称为电介质或绝缘材料。 电介质的分类：按状态分为气体、液体和固体三类。
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1.1.1 电介质的极化 偶极子式极化
有些电介质具有固有的电矩，即正、负电荷作 出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较 用中心永不重合，这种分子称为极性分子，这 有规则的排列， 因而显出极性，这种极化称 为偶极子极化或转向极化。 种电介质称为极性电介质，例如胶木、橡胶、 纤维素、蓖麻油、氯化联苯等。