电介质物理徐卓、李盛涛第十五讲复介电常数与频率和温度的关系-PPT课件
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电介质材料的介电常数及损耗的频率特性优秀课件
d
(1)
式中 s —— 电极的面积，米2；d —— 介质的厚度，米；εr— — 介质材料的相对介电常数。
将ε0的值代入（1）式，得到：
C100rs (pF) 3.6d
由此得
r
3.6 dC
10
r
14.4 dC 100D2
— 其所用单位d ——米， Ｃ pF , D ——米。
率特性。
〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
电介质材料的介电常数及损耗 的频率特性优秀课件
〈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
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义
为：tan介 质 损 耗 的 无 功 功 率 功 （ 率 即 有 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
(1)
式中 s —— 电极的面积，米2；d —— 介质的厚度，米；εr— — 介质材料的相对介电常数。
将ε0的值代入（1）式，得到：
C100rs (pF) 3.6d
由此得
r
3.6 dC
10
r
14.4 dC 100D2
— 其所用单位d ——米， Ｃ pF , D ——米。
率特性。
〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
电介质材料的介电常数及损耗 的频率特性优秀课件
〈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
电介质的介电损耗一般用损耗角正切tan 表示，并定义
为：tan介 质 损 耗 的 无 功 功 率 功 （ 率 即 有 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
第十五讲 复介电常数与频率和温度的关系 PPT
条件为： tg 0
则可得：
m'
1
s
m
当 ω=ωm’时：
' r
2 s s
" r
s s
s
(tg )max
s 2
s
当
1
时， tg
~ ( s
)
与 成正比， tg
0
当
1
时， tg
~
( s
) /
与 成反比， tg
0
当 m' 时， tg 取极大值。
一定温度下介电频率特性：
因此
' m
1
s
m
由B
Tm'
ln
' m
ln
A
可知 Tm' Tm
第十五讲 复介电常数与频率和温度的关系
一 复介电常数与频率的关系
德拜驰豫关系：
r
s 1 i
' r
()
(
s
)
(1 2 2 )
" r
(
)
( s
)
(1 2 2 )
tg
" r
' r
( s
)
(s 2 2 )
由上面的式子可见，在一定温度下：
当
=
0，
' r
s
，
" r
0
是恒定电场下的情况；
当
" r
和
tg
的峰值向高频移动，温度升高时，
减少，可以和弛豫时间相比拟的电场周
期变短，弥散频率区域包括损耗极值频率m 和m' ，m 1， ↓，m ↑。
电介质物理与材料ppt课件
电介质
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
3
1.2 电介质物理研究特点
13
（2）研究的频域范围
Broadband Dielectric Spectroscopy
绝缘材料： 电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。 宽禁带半导体： 电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化， 也归入到电介质材料体系。例如，III-V 族和 II-VI 族半导体， 共价键-离子键混合结构，表现出电极化和弛豫特征。 12
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。 利用电介质物理学研究生物体的性能是这门学科的一个特点。 由于绝大多数生物体不属于固态电介质，在驻极体物理研究 领域，对这类介质有专门研究。 电介质物理内容中一般都不做介绍。
8
3）按组成物质原子排列的有序化程度分类 晶体电介质 ：石英晶体、陶瓷晶体等 非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等 前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。 4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。 1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化， 电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制， 其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
3
1.2 电介质物理研究特点
13
（2）研究的频域范围
Broadband Dielectric Spectroscopy
绝缘材料： 电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。 宽禁带半导体： 电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化， 也归入到电介质材料体系。例如，III-V 族和 II-VI 族半导体， 共价键-离子键混合结构，表现出电极化和弛豫特征。 12
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。 利用电介质物理学研究生物体的性能是这门学科的一个特点。 由于绝大多数生物体不属于固态电介质，在驻极体物理研究 领域，对这类介质有专门研究。 电介质物理内容中一般都不做介绍。
8
3）按组成物质原子排列的有序化程度分类 晶体电介质 ：石英晶体、陶瓷晶体等 非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等 前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。 4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。 1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化， 电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制， 其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。
复介电常数与频率和温度的关系
复介电常数与频率和温度的关系一、引言复介电常数是介电材料的一个重要物理量，它描述了介电材料在电场作用下的响应能力。
复介电常数与频率和温度有密切的关系，本文将从基础概念、频率和复介电常数的关系、温度和复介电常数的关系等方面进行分析。
二、基础概念1. 复介电常数复介电常数是指介质在交变电场中对电磁波传播速度的影响程度，它包括实部和虚部两个部分。
实部反映了介质对于光波传播速度的减缓程度，虚部则反映了光波在介质中传播时能量耗散的情况。
2. 交变电场交变电场是指其大小和方向随时间而变化的一种电场。
在实际应用中，交变电场往往是由交流信号产生器产生的。
三、频率与复介电常数关系1. 实部与频率关系实部是指光波在介质中传播时速度减缓程度，也就是相位速度与真空中相比减小了多少。
当光波通过不同频率的介质时，其实部会发生变化。
一般来说，实部与频率呈反比例关系，即随着频率的增加，实部会减小。
2. 虚部与频率关系虚部是指光波在介质中传播时能量耗散的情况。
在介质中，光波会因为分子振动、电子偶极翻转等原因而产生能量损耗。
虚部与频率的关系比较复杂，一般来说，在低频段时虚部随着频率的增加而减小，在高频段时虚部则随着频率的增加而增大。
3. 复介电常数与频率关系复介电常数是实部和虚部的综合体现，其与频率之间存在一定的函数关系。
一般来说，在低频段时复介电常数随着频率的增加而减小，在高频段时则随着频率的增加而趋于稳定。
四、温度与复介电常数关系1. 实部与温度关系实际上，实部是受到温度影响较小的物理量。
在一定范围内，实部基本上不会受到温度变化的影响。
2. 虚部与温度关系虚部是受到温度影响较大的物理量。
一般来说，随着温度的升高，介质中分子振动和电子偶极翻转等现象会增加，从而导致虚部的增大。
3. 复介电常数与温度关系复介电常数是实部和虚部的综合体现，其与温度之间也存在一定的函数关系。
一般来说，在低频段时复介电常数随着温度的升高而减小，在高频段时则随着温度的升高而趋于稳定。
第十五讲复介电常数与频率和温度的关系
温度升高，
减小，
" r
随
温度增加而增加；
高温，
小，
， 1
" r
~
，与
成正比，
" r
随温度增加而减少，
1，
出现极大值，
" rm
的极值温度
Tm
。
m Ae B Tm
Tm
B ln( m
)
B ln m ln
A
A
tg
的温度特性与损耗因子类似，但 tg
的极
值温
度
T m
'
比
" r
的极值温度Tm 低。
当 ( )' s / 时， tg 到达极大值
' r
发生剧烈变化的区域向高频区移动，
" r
和
tg
的峰值向高频移动，温度升高时，
减少，可以和弛豫时间相比拟的电场周
期变短，弥散频率区域包括损耗极值频率m 和m' ，m 1， ↓，m ↑。
Cole—Cole 图
从德拜方程中消去
，有：（
' r
s
2
)2
" s
(
s
2
)2
这是一个半圆方程，圆心（ s ，0），半径 s 。不同频率或
静态介电常数εs可表示为s ： Pr / 0E
上式中 Pr n0d Ee 为驰豫极化强度，其中d 为偶极子取向极化的驰豫极化率，
d a' T
与温度成反比，设
Ee≈E，则s ：;
a T
，a
a'/ 0
弛豫时间
与温度成指数关系
~
AeB
电介质物理_徐卓、李盛涛-第十四讲 德拜驰豫及弛豫极化的微观机制
'
"
二 极化弛豫的微观机制
1 自由点偶极子转向极化的微观机制-德拜理论
郎之万理论：恒定电场作用下偶极子取向 2 4 3 0 Ee 0 Ee e x ex 1 E 0 cos 0 L( x) 0 ( x ) ...... x 3 3 x 3KT 45 K T e e 德拜理论：可变电场作用下偶极子取向： ① t 0 时，加恒定电场 t 0 时，拆去电场， t 0 时电介质行为。 ② 加交变电场 E E e 。 Debey 假定：一方面极性液体中的偶极分子在电场转矩 M 0 E sin 作用 下，发生旋转取向，另一方面，极性分子作一种布朗运动（热运动） ，布朗运 动同样使极性分子产生转动，阻碍分子的定向取向，使分子发生碰撞而引起 摩擦力作用，两种作用使分子取向达到一种统计平衡。当电场突然撤除，电 场转矩 M 立即消失，布朗运动多次碰撞引起摩擦，使偶极分子统计取向缓慢 消失，从而出现弛豫。
t /
) ( s ) 0 E0 (1 e t / )
1 t / f ( t ) e 可得弛豫函数：
如果施加的是交变电场 E E0 e it ， 则 Pr(ω)的稳态解为： Pr () 0 ( s ) f ( y)E(t y)dy
J G 1 t 2n0 sin
有以上讨论可得到扩散微分方程为：
G 1 G [ KT sin ( 0 Ee sin 2 )G] t sin
G 当时间足够长，达平衡 时 t 0 ，则：
G Ce 0 Ee cos
其中 J d K 密度梯度 n0
G 成正比，K 为扩散系数，负号表示扩散转移的方向（密度
"
二 极化弛豫的微观机制
1 自由点偶极子转向极化的微观机制-德拜理论
郎之万理论：恒定电场作用下偶极子取向 2 4 3 0 Ee 0 Ee e x ex 1 E 0 cos 0 L( x) 0 ( x ) ...... x 3 3 x 3KT 45 K T e e 德拜理论：可变电场作用下偶极子取向： ① t 0 时，加恒定电场 t 0 时，拆去电场， t 0 时电介质行为。 ② 加交变电场 E E e 。 Debey 假定：一方面极性液体中的偶极分子在电场转矩 M 0 E sin 作用 下，发生旋转取向，另一方面，极性分子作一种布朗运动（热运动） ，布朗运 动同样使极性分子产生转动，阻碍分子的定向取向，使分子发生碰撞而引起 摩擦力作用，两种作用使分子取向达到一种统计平衡。当电场突然撤除，电 场转矩 M 立即消失，布朗运动多次碰撞引起摩擦，使偶极分子统计取向缓慢 消失，从而出现弛豫。
t /
) ( s ) 0 E0 (1 e t / )
1 t / f ( t ) e 可得弛豫函数：
如果施加的是交变电场 E E0 e it ， 则 Pr(ω)的稳态解为： Pr () 0 ( s ) f ( y)E(t y)dy
J G 1 t 2n0 sin
有以上讨论可得到扩散微分方程为：
G 1 G [ KT sin ( 0 Ee sin 2 )G] t sin
G 当时间足够长，达平衡 时 t 0 ，则：
G Ce 0 Ee cos
其中 J d K 密度梯度 n0
G 成正比，K 为扩散系数，负号表示扩散转移的方向（密度
材料物理04 电介质物理PPT课件
4.2 电介质的极化
二、极化类型
弹性位移极化 （瞬时极化）
电子位移极化（Electronic Polarizability）
Response is fast, Response is fast, τ is small
离子位移极化（Ionic Polarizability）
Response is slower
电极间介质在一定外加电压作用下，其中不 大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使 样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变 大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的 散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进， 最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在 电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿 电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但 对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。 热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加 时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。 在低温下出现的是另一种类型的电击穿。
电介质在电场作用下，由于漏电流、电损耗或孔隙 局部气体电离放电产生放热，材料温度逐步升高，随着 时间延续，积热增多，当达到一定温度时，材料即行开 裂、玻璃化或熔化，绝缘性能被破坏而导致击穿的现象。 这是介质材料常见的破坏原因之一。热击穿与介质的导 致系数、强度、内部缺陷、掺杂物（杂质）、气孔、形 状及散热条件等多种因素有关。 固体电介质的击穿有电 击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等形式。绝缘结 构发生击穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形式 同时存在，很难截然分开。一般来说，在采用tanδ值 大、耐热性差的电介质的低压电气设备，在工作温度高、 散热条件差时，热击穿较为多见。而在高压电气设备中， 放电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一般属于电 击穿。当电压作用时间达数十小时乃至数年时，大多数 属于电化学击穿。
二、极化类型
弹性位移极化 （瞬时极化）
电子位移极化（Electronic Polarizability）
Response is fast, Response is fast, τ is small
离子位移极化（Ionic Polarizability）
Response is slower
电极间介质在一定外加电压作用下，其中不 大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使 样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变 大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的 散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进， 最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在 电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿 电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但 对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。 热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加 时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。 在低温下出现的是另一种类型的电击穿。
电介质在电场作用下，由于漏电流、电损耗或孔隙 局部气体电离放电产生放热，材料温度逐步升高，随着 时间延续，积热增多，当达到一定温度时，材料即行开 裂、玻璃化或熔化，绝缘性能被破坏而导致击穿的现象。 这是介质材料常见的破坏原因之一。热击穿与介质的导 致系数、强度、内部缺陷、掺杂物（杂质）、气孔、形 状及散热条件等多种因素有关。 固体电介质的击穿有电 击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等形式。绝缘结 构发生击穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形式 同时存在，很难截然分开。一般来说，在采用tanδ值 大、耐热性差的电介质的低压电气设备，在工作温度高、 散热条件差时，热击穿较为多见。而在高压电气设备中， 放电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一般属于电 击穿。当电压作用时间达数十小时乃至数年时，大多数 属于电化学击穿。
电介质物理课件
3
0
P 2 P 2 0 3 3 0
P Ei E0 Ed E1 E2 E2 0 0 3 0
Ei E
D
P
2 P E2 r E E2 3 0 3
P E2 Ei E 3 0
D 0E P D 0 r E P D 0 E 0 ( r 1) E
2 a 2 P sin cos d dq cos cos dE11 2 2 4 0 a 4 0 a 1 P cos 2 sin d 2 0
电介质物理-张茂林 13
2013-04-03
P P cos 2 E1 dE11 cos sin d 2 0 0 2 0 3 0
作用：
预测极化性能 设计新介质，提高或降低或控制εr
2013-04-03
电介质物理-张茂林
2
分子极化率
电介质的分子极化率等于各种极化率之和，即
e a d T S
对于具体电介质，一种或几种极化占主导地位。 但对于具体某种电介质，在一定条件下，往往只 有一种或两种极化占主导地位，而其它的次要的 极化形式则可以忽略，从而可以简化我们的分析 和计算。
用产生的场强。
2013-04-03
电介质物理-张茂林
9
Ei E0 Ed E1 E2
0 D E0 0 0
——极板上自由电荷在真空中产生的场强； 高斯定理 ——介质表面束缚电荷产生的场强； 电介质与极板界面上极化电荷在真空中所产生的电场 退极化场
P Ed 0 0
2
2013-04-03
称为洛伦兹－罗伦斯 （Lorentz－Lorehz）方程
0
P 2 P 2 0 3 3 0
P Ei E0 Ed E1 E2 E2 0 0 3 0
Ei E
D
P
2 P E2 r E E2 3 0 3
P E2 Ei E 3 0
D 0E P D 0 r E P D 0 E 0 ( r 1) E
2 a 2 P sin cos d dq cos cos dE11 2 2 4 0 a 4 0 a 1 P cos 2 sin d 2 0
电介质物理-张茂林 13
2013-04-03
P P cos 2 E1 dE11 cos sin d 2 0 0 2 0 3 0
作用：
预测极化性能 设计新介质，提高或降低或控制εr
2013-04-03
电介质物理-张茂林
2
分子极化率
电介质的分子极化率等于各种极化率之和，即
e a d T S
对于具体电介质，一种或几种极化占主导地位。 但对于具体某种电介质，在一定条件下，往往只 有一种或两种极化占主导地位，而其它的次要的 极化形式则可以忽略，从而可以简化我们的分析 和计算。
用产生的场强。
2013-04-03
电介质物理-张茂林
9
Ei E0 Ed E1 E2
0 D E0 0 0
——极板上自由电荷在真空中产生的场强； 高斯定理 ——介质表面束缚电荷产生的场强； 电介质与极板界面上极化电荷在真空中所产生的电场 退极化场
P Ed 0 0
2
2013-04-03
称为洛伦兹－罗伦斯 （Lorentz－Lorehz）方程
介电常数 品质因数 谐振频率温度系数三者的关系
介电常数品质因数谐振频率温度系数三者的关系介电常数、品质因数和谐振频率温度系数是微波介质陶瓷的重要性能指标，它们之间存在相互影响和制约的关系。
介电常数是反映材料极化能力的物理参数，其值越大，表示材料的电性能越好，即介质对电场的储能能力越强。
介电常数的大小受晶相结构和制备工艺等因素的影响。
品质因数表示材料对微波损耗的抑制能力，高品质因数意味着材料对微波的损耗较小，能够更好地保持电磁场的能量。
品质因数主要受材料微观形貌的影响，如微观形貌是否均一、材料是否致密、晶粒尺寸是否分布均匀等。
谐振频率温度系数表示材料谐振频率随温度变化的规律，其绝对值越接近于零，表示材料的温度稳定性越高。
该参数由线性膨胀系数和介电常数温度系数共同确定。
在微波介质陶瓷的设计和制备过程中，需要综合考虑这三个性能指标，根据实际需求选择适当的介电常数、品质因数和谐振频率温度系数。
高电压技术电介质极化与介电常数课件.ppt
5 5.5
~ ~
7 6.5
课件
讨论电介质极化的意义：
1、选择绝缘：
电容器 r 大 电容器单位容量体积和重可减少
电缆 r 小 可使电缆工作时充电电流减小
电机定子线圈槽出口和套管 r 小,可提高沿面放电电压
2、多层介质的合理配合： 1E1 2E2电场分布与 成反比 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理
3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因
4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁
5、研发新型绝缘材料
高电压技术电介质极化与介电常数 课件
电介质极化应用实例一：平行平板电极间距离 为2 cm，在电极上施加55 kV的工频电压时未 发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 cm的 聚乙烯板（εr=2.3）时，问此时会发生间隙 击穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板 前后的各介质中的电场分布。
U U 2 t0
2 t
存在电压从新分配，电荷
高电压设备的绝 缘由几种不同的
在介质空间从新分布，夹层界
材料组成，或介质不均匀，这种情况
面有电荷堆积的过程，从而产
会出现“夹层介质界面 极化”现象。
生电矩
高电压技术电介质极化与介电常数 课件
设： C1 1 C2 2 G1 2 G2 1 U3
T=0 时: U1 2 Q1 2
高电压技术电介质极化与介电常数 课件
高电压技术电介质极化与介电常数 课件
高电压技术电介质极化与介电常数 课件
气体电介质的介电常数
气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化 率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。
电介质材料和绝缘PPT课件
but for different reasons. (Data for (a) from Dielectric Analysis,
DEA, by Kasap and Nomura (1995) and data for (b) from C.
Smart, G.R. Wilkinson, A.M. Karo, J.R. Hardy, International
电介质（图（c））。可作起等效电路（图（d）），其中 为C 纯电容，G 为等效电导，相位图见（e）。这时总电流为：
I Ic GV
I 滞后 I c 一个角度 ：
电介质材料和绝缘
tg1 IG tg1 G
IC
wC
称为介质损耗角。一般的电工介质材料 约为 1 0 4 ，用于
光纤通信等的石英光纤玻璃， 可小至 107 108。
电介质材料和绝缘
rrj (7.27)
实部代表相对介电常数，虚部代表电介质中偶极子在电场 作用下克服随机碰撞的干扰，沿着不同方向来回取向时发 生的能量消耗。 解释为什么取负号。 教材497页关于图7.13的解释。
电介质材料和绝缘
P = Posin(t - ) E = Eosint
r' and r''
1 2
(
s
)
tg s s
电介质材料和绝缘
19
由德拜方程可见：
当
1
时：
，
' r
~ s
" r
~
( s
)
，
" r
大致正比于
，并
" r
0
；
当
1
时：
' r
大学物理电介质(老师课件)
1 Q2 2 0 r E1 dV 2 400 r R
2
1 Q 2 W2 0 E2 dV E1 , 0 r R R2 80 R 4 0 r R3
Q E2 , Rr 2 4 0 r
Q2 1 W W1 W2 ( 1) 8 0 R 5 r
S
r2
r1
R0 R1
0
R2
R0 r R1 E 2
D dS q0 i内 D 4r 2 Q i D 0 r E
r1
Q ˆ r 4πε0 εr1r 2
R1 r R < < 2 E 3
Q
r2
内
Q ˆ r 2 4πε0 εr 2 r
r>R2
V
取宏观上无限小 电极化强度：电介质中某点附近 微观上无限大的 体积元 单位体积内分子电偶极矩的矢量和
pi 极化后每个分子的电偶极矩
p i 定义 P lim V 0 V
前
V
后
电偶极子排列的有序程度
反映了介质被极化的程度 单位：C/m2
排列越有序 极化越强烈
均匀极化：
例12.5 半径为R、相对介电常数为εr 的 球均匀带电 Q ，求其电场能量。
解：
Q r
R
S
D dS q0 i内
i
4 3 2 D 4r r 3 4 3 Q R 电荷体密度： 3
E2
E1
r
取体积元
W1
R 0
D 0 r E
Qr
共同产生
σ0 0 单独产生的场强为 E0 ε0
0 0
电介质材料的介电常数及损耗的频率特性ppt课件
（6）再分别将内偏调到5V, 10V重复测量。
可编辑课件
9Leabharlann 〈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
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，
3
〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
可编辑课件
4
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
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7
〈四〉操作步骤
（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板显示： 显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tan） 显示C： F（显示：1.00kHz） 速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 等效： 串联 偏置：OFF 方式：连续 量程：自动 打印：OFF
（2）使用按键[显示A]、[显示B]在LCR上选择测试参数；如 果需要测量的是电容C和损耗tan，则不需要另外选择。 等待仪器稳定20 分钟后，对仪器进行清 “0”；
可编辑课件
1
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9Leabharlann 〈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
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，
3
〈二〉实验仪器
TH2816型宽频LCR数字电桥、样品
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4
〈三〉实验原理
介电常数，又称电容率，是电位移D与电场强度E之比 = D/E ，其单位为F/m ，真空的介电常数 F/m ，而相对介电 常数为同一尺寸的电容器中充入电介质时的电容和不充入电 介质时真空下的电容之比。介电常数小的电介质，其分子为 非极性或弱极性结构，介电常数大的电介质，其分子为极性 或强极性结构。在交变电场作用下，电介质的介电常数为复 数，复介电常数的实部与上述介电常数的意义是一致的，而 虚部表示损耗。介质的介电损耗是指由于导电或交变电场中 极化弛豫过程在电介质中引起的功率损耗。这一功率损耗是 通过热耗散把电场的电能消耗掉的结果。
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7
〈四〉操作步骤
（1）接通电源，电桥开始自检。自检结束后，面板显示： 显示A：C（电容） 显示B：D（即损耗tan） 显示C： F（显示：1.00kHz） 速度：慢（40ms A/D积分时间） 读数：直读 等效： 串联 偏置：OFF 方式：连续 量程：自动 打印：OFF
（2）使用按键[显示A]、[显示B]在LCR上选择测试参数；如 果需要测量的是电容C和损耗tan，则不需要另外选择。 等待仪器稳定20 分钟后，对仪器进行清 “0”；
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1
介电常数和介质损耗角正切ppt课件
质外表构成一个水膜层,它具有离子性质,添加 外表电导. 因此,资料的介电常数和介质损耗
角正切tgδ都随之添加.
试样的形状调理和测试都应在规范环境.
(2) 温度
影响要素
(3)测试电压 板状试样:电压2KV影响不大,过高那么添加附加损耗. 薄膜:电压低于500V.过大使tgδ明显添加.
(4) 测试用接触电极 高频下,电极的附加损耗变大,因此电极资料本身的电阻
(2)实验点间距选择 假设在同一片试样上做多点实验，那么应留意实验 点之间要有足够的间隔。该间距的大小应选在前一次实验后飞溅出的 污物所污染的部分以外，否那么使结果发生偏向。
(3)环境条件的影响 除坚持温度在23±1℃条件下实验外，还应留意 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，这是实 验所不允许的。因此实验时，电极和样品系统放在一个密封罩内进展.
<0. 005 0.040.08(1016Hz) 0. 01 0. 014 0.021 0.005 0.006 0. 0002 0.01-0.006 0.004
其它电性能目的
• 相比漏电起痕指数(CTI) • 资料外表能经受住50滴电解液而没有构成漏电痕迹的最
高电压值，以伏(v)为单位。 • 耐漏电起痕指数(PTI) • 资料外表能经受住50滴电解液而没有构成漏电痕迹的耐
电压值，以伏(v)为单位。
相比漏电起痕指数测定
相比漏电起痕指数测定
相比漏电起痕指数测定
• 试样应程度放置在支撑板上，按图将电极装好，并施加1N的 压力，用量规检查两电极间的间隔为4.0土0.1mm。先对两电极 加25v倍数的适当电压,调整可变电阻,使电极短路电流为1.0+0.1 A。在两电极供电下，以30+5s的时间间隔下将电解液液滴滴入 两电极间的试样上，直到试样发生破坏或滴下50滴为止。
角正切tgδ都随之添加.
试样的形状调理和测试都应在规范环境.
(2) 温度
影响要素
(3)测试电压 板状试样:电压2KV影响不大,过高那么添加附加损耗. 薄膜:电压低于500V.过大使tgδ明显添加.
(4) 测试用接触电极 高频下,电极的附加损耗变大,因此电极资料本身的电阻
(2)实验点间距选择 假设在同一片试样上做多点实验，那么应留意实验 点之间要有足够的间隔。该间距的大小应选在前一次实验后飞溅出的 污物所污染的部分以外，否那么使结果发生偏向。
(3)环境条件的影响 除坚持温度在23±1℃条件下实验外，还应留意 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，这是实 验所不允许的。因此实验时，电极和样品系统放在一个密封罩内进展.
<0. 005 0.040.08(1016Hz) 0. 01 0. 014 0.021 0.005 0.006 0. 0002 0.01-0.006 0.004
其它电性能目的
• 相比漏电起痕指数(CTI) • 资料外表能经受住50滴电解液而没有构成漏电痕迹的最
高电压值，以伏(v)为单位。 • 耐漏电起痕指数(PTI) • 资料外表能经受住50滴电解液而没有构成漏电痕迹的耐
电压值，以伏(v)为单位。
相比漏电起痕指数测定
相比漏电起痕指数测定
相比漏电起痕指数测定
• 试样应程度放置在支撑板上，按图将电极装好，并施加1N的 压力，用量规检查两电极间的间隔为4.0土0.1mm。先对两电极 加25v倍数的适当电压,调整可变电阻,使电极短路电流为1.0+0.1 A。在两电极供电下，以30+5s的时间间隔下将电解液液滴滴入 两电极间的试样上，直到试样发生破坏或滴下50滴为止。
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P E 静态介电常数εs可表示为： s r/ 0
r
'
上式中 P
d a T
n0 d Ee 为驰豫极化强度，其中 d 为偶极子取向极化的驰豫极化率，
s ， aa '/ 与温度成反比，设 Ee≈E，则： 0
a T
弛豫时间 与温度成指数关系 ~ Ae ，则对于复介电常数 ：
s
' r
高温， 从 升到 ， 在温度曲线中出现一极大值， 随温度变化相对来
" r
" r
0；
1
r'
' r " r
，
" rΒιβλιοθήκη ~( s )
， 大致反比于 ，
" r ' r s
" r
0。
" r
在 值。
m
附近， 和 急剧变化， 由 过渡到 ，同时 出现极大
在这一频率范围内，介电常数发生剧烈变化，同时出现极化的能 量耗散，称为弥散现象，这一频率区域被称之弥散区域。
tg r" r' ( s ) ( s 2 2 )
由上面的式子可见，在一定温度下： ' " 当 = 0， r s ， r 0 是恒定电场下的情况； 当 ， r ， r 0 是光频下的情况。 当 0 ~ 之间， r' 随频率下降，从静态介电常数降到光频介电常数； 1 损耗因子则出现极大值，其条件为 0 ，当 取极值：
( 1 ) E n ( ) E P 1 1 1 E E E
0 0 0 e i e 0 0
设Ee≈E，则上式近似可表示为： n 1 0 ( e i)
0
因为αe和 αi与温度无关，因此ε∞随温度变化主要是由于单位体积中极化离子 数n0随温度变化引起的，即由电介质密度变化引起的。由于材料密度在一定范围内 与温度成线性关系，且变化不大，因此ε∞随温度升高略微线性下降。
BT
r
先讨论实部
r' () ( s ) (1 2 2 )
' r
温度低， 很大， 1 ， 温度高， 很小， 1 ，
' r
， n0 随温度升高略有降低；
s ， s 随温度升高呈反比下降，从低温到
tg 与频率的关系类似于损耗因子与频率的关系， tg 的极值 tg 条件为： 0 1 s m ' 则可得： m
当 ω=ωm’时：
r'
2 s s
r"
s s s
(tg ) max
s 2 s
'
Cole—Cole 图
' 从德拜方程中消去 ，有：（ r
s
2
) 2 s" (
s
2
2
)2
这是一个半圆方程，圆心（
" r ' r " r ' r
s
2
，0） ，半径
" r
s
。不同频率或
不同温度下的 和 间的关系图称 Cole—Cole 图。为区别起见，把德 拜方程所得 ~ 半园图称 Cole—Cole 图，一般 ~ 图称 Argrand 图。
第十六讲 复介电常数与频率和温 度的关系
一 复介电常数与频率的关系
德拜驰豫关系： r 1 s i
r' ( ) ( s ) (1 2 2 ) r" ( ) ( s ) (1 2 2 )
s
2
~
， ~ 1 ，极化
， r" 出现极值，并以热的
形式散发，极值频率 m 1 区域称弥散区域。 0.01 100 的区间称弥散区。 ③.高频下，电场变化很快，周期很短，几乎比弛豫时间还短得多，弛豫极化完全 跟不上电场变化，只有瞬时极化发生， r' 光频介电常数， r" 0 ，瞬时极化无 损耗。 ④.温度升高时，弥散区域向高频方向移动， r' 发生剧烈变化的区域向高频区移动， r" 和 tg 的峰值向高频移动，温度升高时， 减少，可以和弛豫时间相比拟的电场周 期变短，弥散频率区域包括损耗极值频率 m 和 m ， m 1 ， ↓， m ↑。
当 当 当
1
1
时， tg ~ ( s ) 与 成正比， tg 0 时， tg ~ ( s ) / 与 成反比， tg 0
'
m
时， tg 取极大值。
一定温度下介电频率特性： ①.低频时，电场缓慢变化，变化的周期比弛豫时间要长得多，极化完全来得及随 电场变化， r' 趋近静态介电常数 s ，相应的介质损耗 r" 很小。 ②. 升高，电场周期变短，短到可与极化的弛豫时间相比拟， f 逐渐跟不上电场的变化，损耗逐渐增大， r' 从 s →
' r
Cole—Cole 图的用途： 在不同频率下，测出复介电常数的实部和虚部，将测量点标在复 平面上，若实验点组成一个半圆弧，则属于德拜型弛豫，可以推算弛 豫时间 ，有些实部点对圆弧的偏离程度表明有许多电介质的介电弛豫 并不属于德拜型，同时也表明了这些实验点的精确程度。
二 复介电常数与温度的关系 由于τ随温度变化剧烈，因而复介电常数与温度密切相。并且严格地讲， εs和ε∞也与温度有关。光频介电常数ε∞是弹性位移极化贡献的介电常数，可表 示为：
'
"
" r
m
r" max ( s )
1 2
r' ( s )
1 2
tg
s s
由德拜方程可见： 当 当
1
1
时： 时：
r' ~ s ， r" ~ ( s )
， 大致正比于 ，并