1-2 电介质的基础理论
电磁场理论基础
电磁场理论基础磁现象和电现象本质上是紧密联系在一起的，自然界一切电磁现象都起源于物质具有电荷属性，电现象起源于电荷，磁现象起源于电荷的运动。
变化的磁场能够激发电场，变化的电场也能够激发磁场。
所以，要学习电磁流体力学必须熟悉电磁场理论。
1． 电场基本理论（1） 电荷守恒定律在任何物理过程中，各个物体的电荷可以改变，但参于这一物理过程的所有物体电荷的代数总和是守恒的，也就是说：电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分。
例如中性物体互相摩擦而带电时，两物体带电量的代数和仍然是零。
这就是电荷守恒定律。
电荷守恒定律表明：孤立系统中由于某个原因产生（或湮 没）某种符号的电荷，那么必有等量异号的电荷伴随产生（或湮没），孤立系统总电荷量增加（或减小），必有等量电荷进入（或离开）该系统。
（2） 库仑定律1221202112ˆ4r δπε+=r q q f (N) 库伦经过实验发现，真空中两个静止点电荷(q 1, q 2)之间的作用力与他们所带电荷的电量成正比，与他们之间的距离r 平方成反比，作用的方向沿他们之间的连线，同性电荷为斥力，异性电荷为引力。
ε0为真空介电常数，一般取其近似值ε0＝8.85⨯10-12C •N -1•m -2。
ε0的值随试验检测手段的进步不断精确，目前精确到小数点后9位（估计值为11位）。
库仑反比定律也由越来越精确的实验得到验证。
目前δ<10-16。
库仑反比定律的适用范围(10-15m(原子核大小的数量级)~103m)。
Charles Augustin de Coulomb 1736-1806 France（3） 电场强度 00)()(qr F r E =(V ·m -1)真空中电荷与电荷之间相互以电场相互发生作用。
若试探电荷q 0在电场r 处受电场力为F 0(r ), 则电 场强度为E (r )。
（4） 静电场的高斯定理 ∑⎰⎰=⋅)(01S in Sq d εS E由于静电场的电力线起始于正电荷，终止于负电荷， 不会相交也不会形成封闭曲线，这就决定通过静电场内 某一封闭曲面S 的电通量为此封闭曲面所包围的电荷的01ε倍。
电解质物理
校内讲义电解质物理二〇〇六年十二月前言电介质是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。
其特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中其主要作用的是束缚电荷。
极化是电介质的基本属性，也是电介质多种实际应用（如储存静电能）的基础。
电介质物理学主要是研究界之内不束缚电荷在电场（包括光频电场）、应力、温度等作用下的电极化及运动过程，阐明电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，同时也研究介电性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。
电介质的物理形态可以是气体、液体或固体，自然界中分布极广，本讲义主要介绍固体电介质。
电介质与金属对电场的响应特性是不同的，金属中的电子是共有化的，金属内有自由载流子，使金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。
在电介质体内，一般情况下只具有被束缚的电荷，在电场的作用下只能以感应的方式，即电极化（在电场作用下正、负电荷中心不重合）的方式来传递和记录电的影响。
尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，但是以电极化方式响应电场的作用却是共同的。
因此，研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并推导出相应的规律，是电介质物理的重要课题之一。
由于实际电介质与理想电介质不同，在电场作用下，实际电介质存在泄漏电流和电能的耗散以及在强电场下可能导致的电介质破坏，因此，电介质物理除了研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗、以及击穿特性。
这些就是经典的电介质物理研究的主要内容。
20世纪20年代，关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也发展起来，它从物理学分离出来并成为一个独立分支。
目前备受关注的课题包括：（1）材料性质的第一性原理计算；（2）驰豫铁电体；（3）非均匀介质；（4）有限尺寸材料；（5）电解质的驰豫特性研究；（6）微波介质和低介电常数材料电介质物理学始于物质结构研究密不可分的基础学科，研究的中心问题试电极化与驰豫，故涉及物质结构中束缚电荷的分布、带电粒子间的相互作用，以及这些粒子在外电场作用下的运动和驰豫等。
电介质物理基础--孙目珍版-最完整的课后习
第一章 电介质的极化1.什么是电介质的极化？表征介质极化的宏观参数是什么？ 若两平行板之间充满均匀的电介质，在外电场作用下，电介质的内部将感应出偶极矩，在与外电场垂直的电介质表面上出现与极板上电荷反号的极化电荷，即束缚电荷σˊ。
这种在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质极化。
为了计及电介质极化对电容器容量变化的影响，我们定义电容器充以电介质时的电容量C 与真空时的电容量C0的比值为该电介质的介电系数，即0rC C=ε，它是一个大于1、无量纲的常数，是综合反映电介质极化行为的宏观物理量。
2.什么叫退极化电场？如何用一个极化强度P 表示一个相对介电常数为r ε的平行板介质电容器的退极化电场、平均宏观电场、电容器极板上充电电荷产生的电场。
电介质极化以后，电介质表面的极化电荷将削弱极板上的自由电荷所形成的电场，所以，由极化电荷产生的场强被称为退极化电场。
退极化电场：00εεσPE d -='-= 平行宏观电场：)1(0-=r PE εε充电电荷产生的电场：)1()1(0000000-=+-=+===+=r r r d PP P P E D E E E εεεεεεεεεεσ 3.氧离子的半径为m 101032.1-⨯，计算氧原子的电子位移极化率 按式304r πεα=代入相应的数据进行计算。
240310121056.2)1032.1()1085.8(14.34m F •⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯=---α4.在标准状态下，氖的电子位移极化率为2101043.0m F •⨯-。
试求出氖的相对介电常数。
单位体积粒子数253231073.24.221010023.6⨯=⨯⨯=N e r N αεε=-)1(0 12402501085.81043.01073.211--⨯⨯⨯⨯+=+=∴εαεer N5.试写出洛伦兹有效电场的表达式。
适合洛伦兹有效电场时，电介质的介电系数r ε和极化率α有什么关系？其介电系数的温度系数的关系式又如何表示。
电气安全基础知识
2-3保证电气安全的技术措施
• 电气安全装置主要包括熔断器、继电器、断路器、漏电开 关、防止误操作的联锁装置、报警装置、信号装置等。 • 电气安全操作规程的种类很多，主要包括高压电气设备及 线路的操作规程、低压电气设备及线路的操作规程、电气 装置安装工程施工及验收规范等。 • 电气作业安全用具主要包括起绝缘作用的绝缘安全用具， 起验电或测量作用的验电器或电流表、电压表，防止坠落 的登高作业安全用具，保证检修安全的接地线、遮拦、标 志牌和防止烧伤的护目镜等。 • 电气火灾消防技术是指电气设备着火后必须采用的正确灭 火方法、器具、程序及要求等。 • 电气系统的技术改造、技术创新、引进先进科学的保护装 置和电气设备是保证电气安全的基本技术措施。电气系统 的设计、安装应采用先进技术和先进设备，从源头解决电 气安全问题。
富兰克林 美国科学家，避雷针的发明 人，1747年，写成论文《论雷电与电气 的一致性》，1752年冒着生命危险，做 过著名的风筝引雷实验，在当时人们不 知“电为何物”的时代，指出了电的性 质，把上帝与闪电分了家。
库 仑 ， (1736 — 1806), 法国物理学 家， 用实验研究了静止的点电荷间的 相互作用力，于1785年发现了后来用他 的名字命名的定律(库仑定律 。 库仑定律) 库仑定律
2-4当一名合格的电气工作人员（电工）的基本条件 同时具备下述五个条件者，才能作一名合格电工。 • 1. 年满18周岁，身体健康，无妨碍电工作业的病症，并经 指定医院的医生检查合格者。凡患有癫痫、精神病、高血 压、心脏病、突发性昏厥及其他妨碍电工作业的病症及生 理缺陷者，均不能直接从事电工作业。 • 2. 热爱电工工作，有事业心和责任心，对工作认真负责， 一丝不苟，兢兢业业，求知欲强者。 • 3. 具有或相当于高中文化程度，具有电气作业安全技术、 电工基础理论和电气作业操作技能，熟练掌握触电紧急救 护法，并有一定的实践工作经验者。 • 4. 按《电工作业人员安全技术考核标准》，经安全技术培 训、考试合格后，取得当地劳动部门发给的《特种作业人 员安全技术操作证》，并经定期复审合格者。 • 5. 班前、班中没有饮酒习惯者。
电介质中的环路定理
电介质中的环路定理
电介质是电场中的重要组成部分，它们可以改变电场的传播和
储存能量的能力。
在研究电介质中的电场时，环路定理是一个非常
重要的原理，它可以帮助我们理解电介质中电场的特性和行为。
环路定理是基于麦克斯韦方程组中的一个重要方程——环路积
分定律。
这个定律表明了电场的环路积分等于该环路内部电荷的总
电荷除以介电常数ε的比例。
换句话说，环路定理告诉我们，沿着
闭合路径的电场环路积分等于该路径内的总电荷。
这个定理对于理解电介质中的电场分布非常重要。
在电介质中，电场会受到电荷的影响而发生变化，而环路定理可以帮助我们计算
电场的分布和强度。
通过在电介质中选择不同的闭合路径，我们可
以分析不同位置的电场强度，从而更好地理解电介质中电场的行为。
另外，环路定理也可以帮助我们研究电介质中的极化现象。
当
电介质置于外电场中时，电介质内部的分子会发生极化，导致电介
质中出现极化电荷。
环路定理可以帮助我们计算这些极化电荷对电
场的影响，从而更好地理解电介质中的极化过程。
总之，电介质中的环路定理是研究电场分布和极化现象的重要工具。
通过应用环路定理，我们可以更好地理解电介质中的电场行为，为电介质在电子学和电磁学领域的应用提供理论基础。
介质的电极化
第一章 绪论1.1 介质的电极化电介质的特征是以正，负电荷中心不重合的电极化方式传播，存贮或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚电荷。
电介质物理学主要是研究介质内部束缚电荷在电场（包括光频电场），应力，温度等作用下的电极化和运动过程，阐明其电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，同时也研究电介质性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。
电介质可以是气态，液态或固态，分布极广。
本书主要讨论固态电介质，虽然电介质并非一定是绝缘体，但绝缘体都是典型的电介质。
绝缘体的电击穿过程及其原理关系到束缚电荷在强场作用下的极化限度，这也属于电介质物理的研究范围。
实际上，金属也具有介电性质。
当电场频率低于紫外光频率时，金属的介电性来源于电子气在运动过程中感生出的虚空穴（正电荷），从而导致动态的电屏蔽效应；此时基本上不涉及束缚电荷，故不列入电介质物理的研究范畴。
因为电极化过程与物质结构密切相关，电解质物理学的发展总是与物质结构的研究相呼应。
20世纪20年代，当关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也随着发展起来了，电极化的3个基本过程式：（1）原子核外电子云的畸变极化；（2）分子中正，负离子的相对位移极化；（3）分子固有电矩的转向极化，在外界电场作用下，介质的相对介电常数ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率ω的函数()εω 只当频率为零或频率很低（例如1kHz ）时，三种微观过程都参与作用；这时的介电常数(0)ε 对于一定的电介质而言是个常数。
随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化。
这时，介电常数取复数形式'"()()()i εωωωεε=- (1.1) 其中虚部"()ωε代表介质损耗，实部'()ωε随频率的增加而下降，同时虚部出现如图 1.1所示的峰值，这种变化规律称为弛豫型的。
电介质物理导论第一章1
五、电介质物理的发展与展望
独立学科：
电子信息功能材料：低频、高频、微波、毫米波
新型电子器件： 铁电存储器、MEMS、阵列电容器、EMI 、SMD、 LTCC
与其他学科交叉发展：晶体学、高分子材料学、电磁场与微波技术。。。。
应用：1。晶体电介质应用于光电子学器件
2。陶瓷体内晶粒间的晶界效应 晶界层电容器 超大容量
第一章 恒定电场中电介质的极化
重点研究电介质在恒定电场作用下，所发生 的电极化过程。
主要研究方法： 给出必要的静电学基本定律和公式; 从宏观和微观两种角度，分析与讨论电介质
极化的共同规律; 结合具体物质结构类型，分别讨论各种形式
极化的机理并导出各自所遵循的规律。
重点在于了解宏观极化特性与微观 物质结构及组成之间的联系以揭示相应 物理现象的本质。
dissipation factor ; 介电强度Eb ：breakdown field strength
三、电介质的分类
1。组成特性：无机电介质：云母、玻璃、陶瓷
有机电介质：矿物油、纸、有机高分子聚合物
2。聚集态：气体介质：空气
液体介质：电容器油
固体介质：陶瓷、纸
3。组成物质原子排列的有序化程度：晶体：石英
直（不平行）的表面上出现束缚电荷——不能离开电介质，束缚电荷也要产生自
己的电场，称为附加电场E’
E=E。+E’<E。
束缚电荷
-
+
- + - + - + -+
- + -+ - + - +
-+
-+
-+ -+
+ -+ -
新2-2电介质及分类
1. 电介质基本概念
◆电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的
物质，称电介质。
◆电介质的特征：以正负电荷重心不重合的电极化方 式
传递、存储或记录电的作用和影响。
◆ 电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷在电
场（包括电频电场和光频电场）作用下的电极化过程；阐 明其电极化规律与介质结构的关系；揭示其宏观介电性质 的微观机制，进而发展电介质的效用。
在介质表面也出现束缚电荷。
极化强度
电介质的极化强度用极化强度来表征。
极化强度：单位体积电介质内沿电场方向的 电偶极矩总和。
i P V
由于极化强度是介质小体积内大量分子沿 电场方向感应偶极矩的平均值，所以P是一个 宏观量，它的大小与外电场有关系。
各向同性的线性介质中，各点极化强度与宏 观电场成正比：
Pn 为极化强度在面法线方向的分量。
上式表明电介质表面某处束缚电荷面密度在 数值上等于该处极化强度矢量在该面法线方 向的分量。
附：电容器的电容
1. 电容器: 被电介质分隔开的两个相距较近的导体组 成的系统. 2.电容器的电容
Q Q C VA VB U
式中Q为电容器所带电荷， U为两极板间的电势差.
这表明当μE<<kT时，固有偶极矩在电场方向上的分 量平均值与电场E成正比，与温度T成反比。电场增 大，μ也增大；温度升高，μ则减小。
(c)朗之万函数L（β）与β的关系示 意图
• 当β>>1时，L（β）≈1； 当β<<1时，L（β）的斜率为1/3
得取向极化率αorien为
aorien
P 0 ( r 1) E
此式是建立电介质极化的宏观、微观联系的 重要公式。
电介质及其介电特性-基本介电现象
20
电介质的功能特性
2. 2 电-热效应
介质在电场作用下由于电导电流和极化吸收电 流会引起发热，其发热量一般与E 2成正比：
Q E
2
此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗，
特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。
电介质理论及其应用
21
电介质的功能特性
在一些热释电晶体中，不仅有平方关系的电热效 应，还同时存在线性的热电效应：
Q E
——电热常数
此为可逆效应。即在此种晶体加热时往往有电 荷释放出，故称为热释电效应。
温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律 往往成为探索介质物理机理的主要实验依据。
电介质理论及其应用
22
电介质的功能特性
2. 3 电-光效应
光本质上是一种极高频率电磁波，当光波穿过电介质 时，同样会有介质极化和能量损耗（介质吸收）的现象。 光频极化常用光折射率n 来表征。光折射率n 是光在真空 中的速度c与在介质中的速度之比（n=c/ ）。 根据麦克斯韦尔电磁波方程有：
电介质理论及其应用
18
电介质的功能特性
在具有非中心对称结构的固体电介质中，除了 上述的平方效应以外还观察到一种变形正比于电 场的线性效应，即：
X dE
d——压电模数
当介质上电压极性改变，即E变号时，机械形变X的符号 亦将变号，电场可引起固体伸长或压缩。 这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下 能引起机械变形，而且在力场作用下亦能引起介质极化， 使介质表面带电——“压电效应（Piezoelectric effect）”。
电介质理论及其应用
10
电介质在电场作用下的主要特性
高电压工程基础完整重点
1、小桥理论：工程用液体电介质中含有气体、水分和聚合物等杂质，这些杂质的介电常数和电导与油本身的响应参数不相同，这就必然会在这些杂质附近造成局部强电场。
在电场力的作用下，这些杂质很容易沿电场方向极化定向，并排列称杂质小桥，如果杂质小桥贯穿于两电极之间，由于组成小桥的纤维及水分的电导较大，发热增加，促使水分汽化，形成气泡小桥连通两级，导致油的击穿。
即使杂质小桥尚未贯通两级，但在各段杂质小桥的端头，其电场强度也会增大很多，使该处的油发生电离而分解出气体，使小桥中气泡增多，促使电离过程增强，最终也将出现气泡小桥连通两级而使油击穿。
由于这种击穿依赖于小桥的形成，所以也称此为解释变压器油热击穿的所谓小桥理论。
采用极间障：在油间隙中也可以设置极间障来提高油隙的击穿电压。
用电工厚纸板或胶布层压板做成，形状可以使平板或圆通，厚度通常为2~7mm。
作用：阻隔杂质小桥的形成；在不均匀电场中利用极间障一侧所聚集的均匀分布的空间电荷使极间障另一侧油隙中的电场变得比较均匀，从而提高油隙的击穿电压。
2、提高气隙击穿电压的方法：改善电场分布；采用绝缘屏障；采用高气压；采用高抗电强度的气体；采用高真空。
在气隙中放置形状适当、位置合适、能有效阻拦带电粒子运动的绝缘屏障能有效地提高气隙的击穿电压。
在棒板间隙中放置一块与电场力线相垂直的薄片固体绝缘屏障，则棒极附近由电晕放电产生的与棒极同号的空间电荷在向板极方向运动中即被屏障所阻拦而聚集其上，并由于同性电荷之间的相斥力使其比较均匀地分布在屏障上，这些空间电荷削弱了棒极与屏障间的电场，提高了其抗电强度，这时虽然屏障与板极之间的电场强度增大了，但其间的电场已变得接近于两平行板间的均匀电场，因此提高了其抗电强度，使整个气隙的击穿电压得到提高。
带有绝缘屏障的气隙的击穿电压与屏障的位置有很大关系。
屏障与棒极距离等于气隙距离的1/5-1/6时击穿电压提高得最多。
当棒极为正时可达无屏障时的2~3倍，但棒极为负时只能略微提高气隙的击穿电压，而且棒极为负时屏障远离棒极，击穿电压反而会比无屏障时还要低。
电介质物理：第4章-电介质的唯象理论
dA sdT PdV
(4.8)
dG sdT VdP
(4.9)
dH Tds VdP
(4.10)
其中
A U sdT,
G U sT PV,
H U PV.
(4.11) (4.12) (4.13)
选择不同的自变量可得到相应的热力学函数.通常,称U(s,V)为内能, A(T,V)为亥姆 霍兹自由能, G(T,P)为吉布斯自由能, H(s,P)为热焓.四个热力学函数都具有能量的 意义,只是选用的独立变量不同而已.
热力学第一定律
热力学方法的特点是根据大量实验结果,归纳成3个基本定律,在由这3个定律出发 用严格的数学方法推导出不同热力学量之间的关系.
热力学是一种唯象理论,不能采用它来根据自然常数计算出具体物质的热力学量 的数值.但是,能严格地用来定义热力学量的实验值,并预言不同实验结果之间的 关系.
热力学第一定律(实质上就是能量守恒定律)指出,在一切过程中,由外界流入系统 的热量DQ等于系统内能增量DU与系统对外界所作功DW之和, 即
(4.19)
应变和应力
固态电介质所受的外力分为两种:一种为通过固体表面施加的面积力,它将引起 固体形变;另一种为体积力,它与固体的表面无关(如重力).
通常,我们所考察的固体体积不太大,可以认为体积力是均匀的.当固体的结构 为均匀时,体积力的效果为引起物体的整体平移运动.这种运动通常与固体的介 电性质无关;我们将不考虑这种运动,即设体积力为零.
均匀变形
均匀变形时所发生的位移如图4.1所示.当a≠b时, ∂ua/∂Rb给出ab平面上的应变角,角度的方
向为顺时针为正;而∂ua/∂Ra则为a方向上的相对伸长,负值表示缩短. 9个导数中可组成一个
3x3矩阵.若令
静电学基础理论ppt
4
在不氢同分的子参有照两系个内质观子察，，它同们一作带为电两粒个子原的子电核量，不
变，保子电持，荷一但的定它这的 们一相组特对成性距一叫离个做转原电动子荷；核的氦，相原两对子个中 质论也子不有紧变两密性个的质束
电位成了电场中点的单值函数，因此，用电位来描述电 场的特性是完全可行的。
第一章 静电学基础理论
37
几种典型电场中的电位表达式： 点电荷场中的电位： 线电荷场中的电位： 面电荷场中的电位：
体电荷场中的电位：
第一章 静电学基础理论
38
等势面和电势（位）梯度
一、等势面 等势面： 静电场中，电势相等的点所组成的曲面。
正电荷q发出q/0根电力线，并有q/0根电力
线终止于负电荷-q.
E2 n2
➢电力线的疏密与场强的大小
S2
电力线变得稀疏的地方场强比
较弱，电力线变得密集的地方场
强比较强。 E1 S1 E2 S2
E1 n1 S1
23
从高斯定理的表达式可以看出：
穿出闭合面
进入闭合面
穿进=穿出
这说明电荷是E通量的“源”，正电荷为正
发出
终止
连续，穿过
26
环流定理：
散度只是矢量场的一个性质，要确定静 电场的全面性质，还必须研究静电场的 旋度。旋度反映的是场的环流性质。
从物理课程学习中已经知道，从直观的 电场线图象就可以看出，静电场的电场 线分布是没有漩涡状结构的。因而可以 推想电场是无旋的。
27
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向 极化也随之消失。
夹层极化
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。
存在电压从新分配，电 荷在介质空间从新分布， 夹层界面有电荷堆积的 过程，从而产生电矩。
ｉg －－离子位移极化的泄漏电流 （不随时间变化） ｉc －－电子极化、离子极化的几何电流 （存在的时间很
短，很快衰减到零）
吸收比
吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。 在实际应用中，通常是用兆欧表测量 60s 和 15s 时电介质的绝缘电阻值 R60 和 R15 ，R60/R15 的 比值越大，则绝缘越干燥。这个比值称为：吸收 比。
电介质极化现象在工程中的实际意义
不同应用场合，对εr 大小的要求不同。 中性电介质：εr小，热损耗小——用作高压电气设备的
绝缘结构、电缆绝缘等； 极性电介质：εr大，在相同的耐电强度下，可使单位电
容器的体积和重量减小——用作极板间的的绝缘物质等。
电介质极化现象在工程中的实际意义
影响气体间隙击穿的主要因素
• 电极的几何形状（均匀、极不均匀电场） • 电压的类型（直流、工频交流、冲击电压） • 极间距离 • 持续时间
液体的绝缘性能
液体绝缘，主要是从石油中提炼出来的矿物油。 其击穿理论与气体和固体不同，是至今仍在进行研
究的领域。 主要有电击穿、气泡击穿和悬浮粒 子产生的击穿。
Q0 U
0A
d
插入固体电解质后电容量：
C Q0 Q' A
U
d
相对介电常数：
r
0
C C0
Q0 Q' Q0
Q ' — 由电介质极化引起的 束缚电荷
电介质极化的基本类型
✓ 电子位移极化 ✓ 离子位移极化 ✓ 偶极子极化 ✓ 夹层极化
中性电介质 极性电介质
在绝缘试验中，tgδ 的测量是一项基本测试项目。
气体中带电粒子的产生
1）碰撞电离
气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量， 使其电离。
条件： 撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能 ｜
动能、位能
气体中带电粒子的产生
2） 光电离
短波射线的光子具有很大的能量，它以光的速度运动，当它 射到中性介质的分子或原子上时，所产生的游离称为光游离。 必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能。 紫外线，X射线，是引起光游离的主要因素。
电介质的概念
电介质是指通常条件下导电性能极差的物质，又称绝缘材料。
绝缘材料按形态的分类
气体 液体 固体
空气 SF6 变压器油 橡胶 瓷瓶 玻璃
电介质的分类---按化学结构
非极性电介质：分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质 称非极性电介质。如N2、PTFE（聚四氟乙烯）。
在交流及冲击电压作用下，多层介质的合理配合：
1E1 2 E2
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。
电介质的电导
绝缘电阻 R ：电介质（绝缘材料）的电阻。这个很大， 达到几百~几千MΩ。 对于固体介质，R 包括绝缘的体积电阻和表面电阻。表 面电阻受外界环境的影响大
前三种极化都是由于带电质点的弹性位移或转向而形 成的 ，夹层极化是由自由电荷（通常为离子）在电场中的 运动所形成的。
电子位移极化 电介质： 一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的
原子核和围绕核的带负电电子构成。 感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩
电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性。 阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。 纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。
电介质的损耗
I&
I&r
:电介质的损耗角
I&c Ceq Geq I&r
I&c
I& U&
tg :介质损耗因数
工程上常用 tg 表征
间各处的浓度趋于均匀的过程。由热运动造成 。 复合 ——带有异号电荷的粒子相遇，发生电荷的传递，
中和而还原为中性粒子的过程。 复合时异号粒子的静 电力起重要作用 。
气体的带点粒子游离和复合的关系
游离过程吸收能量产生电子等带电质点，不利于 绝缘；复合过程放出能量，使带电质点减少消失，有 利于绝缘。
弱极性电介质：有些非极性电介质由于存在分子异构或支链，多 少有些极性，称弱极性电介质。如PS（聚苯乙烯）、石蜡、变压 器油。
偶极性电介质：由极性分子组成的电介质。如PVC（聚氯乙烯）、 有机玻璃、胶水等。
离子性电介质：离子性电介质没有个别的分子，只以固体的形式 存在。分为晶体和无定形体两类。如石英、云母、NaCl2、陶瓷。
气体放电过程的一般描述
Ｅ＜Ｅcr （临界场强：由非自持放电转入自持放电的场 强）时，电子崩有赖外界游离因素，为非自持放电。 Ｅ＞Ｅcr 时，电子崩仅由电场的作用而自行维持和发展， 为自持放电。
气体放电过程的一般描述
• 均匀电场→气隙击穿 • 不均匀电场：自持放电形成电晕
为零，对外不显现极性。
电子位移极化 电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电
子向反方向移动，达到平衡后，感应力矩也稳定， 这个过程叫电子位移极化。
E
感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者 重合，感应电矩也随之消失。
电气试验
电介质的基本理论
电介质的概念
自然界的物质根据其物理导电性能可分为三类：
导体：常温下电阻率10-6~10-2 Ω.cm 绝缘体：常温下电阻率109~1022 Ω.cm 半导体：常温下电阻率10-3~109 Ω.cm
在电力系统中，普遍使用气体、液体、固体绝缘材料。 这些绝缘材料在外电场的作用下，会产生极化、电导、电 离、损耗和击穿放电等现象。
离子位移极化
由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内
部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而
形成的极化。
Na Cl
Cl
Na
Cl
Na
Na Cl
Na E
Cl
Cl
Na
Cl Na
Na
Cl
偶极子极化 极性电介质： 即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作
3）热电离
在高温下，气体的质点热运动加剧，相互碰撞而产生的游离 称为热游离。
热电离是热状态下碰撞电离和光电离的综合 。 只有在5000～10000K的高温下才能产生热游离。
气体中带电粒子的产生
4）表面电离
金属表面的电子受外界能量的作用后逸出金属 表面而成为自由电子的现象称为表面电离。
介质的品质
单位体积介质的损耗功率
P U& I& UIr UIctg U
U 1
tg U 2Ceqtg
Ceq
电介质损耗在工程中的实际意义
在设计绝缘结构时，要注意材料的tgδ。 tgδ的大小可以判断绝缘受潮或劣化的程度。 tgδ↑→能量损 耗大→绝缘电阻Ｒ↓→判断绝缘材料有受潮、劣化、气泡现 象 用做绝缘材料的介质，希望 tgδ 小。在其他场合，可利用 tgδ 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。
两种过程在气体中同时存在，条件不同，强弱程 度不同。游离主要发生在强电场区、高能量区；复合 发生在低电场、低能量区。
气体放电过程的一般描述
十九世纪九十年代，英国物理学家汤逊 （Townsend）采用图1 的实验装置测出了气体小 间隙的伏安特性曲线如图2所示。
气体放电过程的一般描述 外加电压很小时，气隙中的电流是由 外界因素所造成的电子和离子所形成 的。（A段）
随电压↑，这些质点中和后，电流饱 和，仍有极微小的泄漏电流。(B 段）
场强高达某一定值后，气体发生连续 的碰撞电离，向雪崩似的增长，称电 子崩。电流大增 。(C段）
气体放电过程的一般描述
电导：绝缘电阻的倒数。
电介质的电导
任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是
少量的带电质点存在，在电场作用下，带电质点
作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具
有一定的电导，表征电导大小的物理量是电导率
（或电阻率 ）。
1
电介质的电导
电介质中的电导是由于电介质的基本物质及其中所 含杂质分子的化学分解或热离解形成带电质点(电子、正 离子、负离子)，沿电场方向移动而造成的。它是离子式 的电导，也就是电解式的电导。
电介质的极化
极化——电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而 产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象。
+ + + + + + + E0
极化前
--- - - --
极化后
电介质极化的程度---相对介电常数εr
平板真空电容器电容量：
C0
用中心的不重合，就单个分子而言，就已具有 偶极矩，称为固有偶极矩。 由于分子的不规则热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外 不呈现合成电矩。
偶极子极化 有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋
势，顺电场方向作定向排列，它在不同程度上达到平衡，对外 呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。
电介质的损耗
直流电压下的损耗
•损失类型：在直流电压作用下介质的损失仅有漏导损失（纯 电阻性的）。 •表征方式：可用体积电阻率 ρV 或表面电导率 ρS 表征。