电介质极化与介电常数

电介质损耗机理，主要物理量为介损tgδ 机理等；主要物理量为绝缘电导和泄漏电流
电气传导特性： 如载流子移动、高场强下的电气传导 电气击穿特性： 包括击穿机理、劣化、电压-时间特
性曲线（V-t）等；主要物理量为击穿场强
电介质物质结构的基本形式
形成分子和聚集态的各种健 离子健 共价键 分子健 电介质的分类：根据化学结构分为3类 非极性及弱极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质
由P可得每单位体积的电荷量： P divP
极化电荷(polarization charge) ： ρP是电场作用下电介质内部呈现的电荷密度，称作极 化电荷。 均匀极化(uniform polarization)： 绝缘体内部任何地方电荷的位移相同时叫做均匀极化。 这些电荷由于是极化引起的，不能单独取出来 真实电荷：与之相对应，导体中带电的电荷可以自由地 取出，称作真实电荷。 具备有这种特性的物质称作 电介质
发生极化的原因
束缚电荷的位移
自由电子的移动
几种介电质的介电常数
材料类别 气体介质（标准大气条件）
弱极性
名称
空 气 变压器油 硅有机液体 蓖麻油 氯化联苯 丙 酮 酒 精 水 石 蜡 聚苯乙烯 聚四氯乙烯 松 香 沥 青 纤维素 胶 水 聚氯乙烯 沥 青
相对介电常数εr（20℃） 1.00058 2.2 ~ 2.5 2.2 ~ 2.8 4.5 4.6 ~ 5.2 22 33 81 2.0 ~ 2.5 2.5 ~ 2.6 2.0 ~ 2.2 2.5 ~ 2.6 2.6 ~ 2.7 6.5 4.5 3.0 ~ 3.5 2.6 ~2.7
液体介质
极性
强极性
中性或 弱极性
固体介质
极性
离子性
云 母 电 瓷
5~7 5.5 ~ 6.5
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 r 小 可使电缆工作时充电电流减小 电缆 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： 1 E1 2 E2 电场分布与 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理
4、出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感 器、电抗器等复合绝缘中
五、空间电荷极化
极化机理：正负离子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：非弹性； 消耗能量：有
E
_ _ _-
+ + +
空间电荷极化
部分气体的相对介电常数 环境条件 20℃, 1 atm
气体种类 氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气 相对介电常数 1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
液体电介质的介电常数
非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多， 如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都 不大，其值在1.8~2.8范围内。介电常数和温度的关系和 单位体积中的分子数与温度的关系相似 偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在 3~80范围，能用作绝缘介质的εr值在3~6左右。此类液体 电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但 通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用
固体电介质的介电常数
非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多， 聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、 无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子 式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常数 与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近 偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、 橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质 的相对介电常数较大，一般为3-6，还可能更大。介电常 数和温度及频率的关系和极性液体的相似 离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常 数єr一般在5-8左右
电介质极化应用实例二：对于同轴电缆，可采用 多层介质，在靠近内电极处采用介电常数大的好 处是什么？为什么？从介电常数的角度来分析油 纸绝缘在套管中是如何改善电场分布的。目前固 体绝缘的套管方兴未艾，你是如何考虑材料的选 择呢？
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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。 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力 的增大略有增加，但变化很小。
17
2
8
7
11
2
8
1
Cl
Na
NaCl
离子结构电介质 (岩盐)
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ 共价键﹒ Cl +﹒ Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ Cl Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
Cl2
中性共价键
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ Cl Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
极性共价键
﹒ ﹒ ﹒ H﹒+ Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
三、极性分子的转向极化
极化机理：
E=0 E
(a)无外电场
+ + +
-+-+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ (b)有外电场
在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排 列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化
特点：
1、有弹性，可恢复 2、与频率有关，极化完成时间约为 l0-6-10-2s，甚至更长， 有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小 3、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就 越整齐，转向极化就越强 4、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热 运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。 对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系 紧(例如粘度很大)，分子难以转向．极化较弱。所以极 性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强， 以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小 5、有能量损耗
1 1 G1 G2 U 1 U U C1 U U C 2 U 1 1 1 1 G 四、夹层极化11 G2 C1 C 2 G1 G2 C C
极化机理： 1 G1 U2 U2
2
C1 U U C G1 G2 1 C 2
合闸时：
U1 U2
t 0
稳态时：
U1 U2 G2 G1
成反比
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
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。
电介质的极化有五种基本形式：
电子位移极化 离子位移极化 转向极化 夹层介质界面极化
空间电荷极化
一、电子的位移极化
特点：
1、电子位移极化存在于一切气体、 液体及固体介质中 2、具有弹性，当外电场去掉后， 依靠正、负电荷间的吸引力， 作用中心又马上会重合，对 外不显电性 3、极化速度快，10--14~10--15秒， 在各种频率的交变电场下均 能产生，与频率无关 4、极化强度与电矩的大小成正比， 且随着外电场的增强而增大 5、与温度无关 6、不引起能量损耗
C2 C1
t
当： 1 2 则：
U1 U2
t 0
1 2
t
U1 U2
存在电压从新分配，电荷 在介质空间从新分布，夹层界 面由电荷堆积的过程，从而产 生电矩
高电压设备的绝 缘由几种不同的 材料组成，或介质不均匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。
设： C1 1 T=0 时:
电介质极化的概要
名 称 电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化
产生极化的地方、 特征等 任何物质的原子中 离子组成的物质 极性分子组成的物质 复合介质的交界面 电极近旁
到达平衡 的时间 10-15秒 10-13秒 10-10 ~ 10-2秒 数秒 ~ 数日 数秒 ~ 数日
C2 2 U1 2
G1 2
G2 1
U2 1
U3
Q2 2
Q1 2
T 时： U 1 Q1 1 1 整个介质等值电容：
U 2 2 Q2 4
Q 4 增大了 U 3
C eq
t 0Байду номын сангаас
Q 2 U 3
C eq
t
特点：
1、只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通 过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成 时间从几十分之—秒到儿分钟，甚至有长达几小 时的。 2、与电场强度和温度有关 3、有能量损耗
=
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ H ﹒ Cl ﹒ ﹒ ﹒
一、电介质的极化及 介电常数
极化现象
平板真空电容器电容量：
Q0 0 A C0 U d
插入固体电解质后电容量：
Q0 Q ' A C U d
相对介电常数：
Q0 Q ' r C 0 C0 Q0
相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
极化机理：
当物质原子里的电子轨道受 到外电场 E 的作用时，其负电荷 作用中心相对于原子核产生位移， 形成电矩，称电子的位移极化。