《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗

为什么呢？
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
一、电子式极化
电子的运动轨迹发生了变形，并相对于正电荷的原子核发 生了位移，因此负电荷的作用中心与正电荷的作用中心不再重 合，这种由电子位移所形成的极化就称为电子式极化。主要特 点：1、极化所需时间极短；2、极化具有弹性，不产生能量损 耗；3、温度对极化的影响较小。
第一章 电介质的极化、电导和损耗
电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电 性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电
导率γ、介电常数ε、介质损耗角正切tanδ和击穿电场强度Eb
来表示。 一切电介质在电场的作用下都会出现极化、电导和损耗等
电气物理现象。不过气体介质的极化、电导和损耗都很微弱， 一般均可忽略不计。所以真正需要注意的只有液体和固体介质 在这些方面的特性。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
极间为真空时，电容量为：
C0
Q0 U
0A
d
式中：ε0 ——真空的介电常数=8.86×10-14F/cm；
A——极板面积，cm2；
d——极间距离，cm； 极间为固体介质时，电容量将增大为：
C Q0 Q A
U
d
介质的相对介电常数：
r
C C0
Q0 Q Q0
0
相对介电常数是综合反映电介质极化特性的一个物
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因 为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r往往和较大的 电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用 r 较小的绝缘材料
还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用， 这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压 和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电 介质的r 成反比。
三、偶极子极化
有些电介质的分子，如蓖麻油、松香、橡胶、胶木等，在 无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介 质称为极性电介质。
电介质
组成极性电介质的每一个分
电极
子成为一个偶极子（两个电荷
极），在外电场作用时，由于偶
极子不停的热运动，排列混乱，
U
因此介质靠电极的两表面不呈现
电的极性。
E
在外电场的作用下，偶极子
受到电场力的作用而发生转向，
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顺电场方向作有规律的排列，靠
电极两表面呈现出电的极性。这
种由于极性电介质偶极子分子的
U
转向所形成的极化就称为偶极子
式极化。
偶极子式极化的特点：1、极化所需时间极长，故极化与
频率有较大的关系；2、极化属非弹性，有能量损耗；3、温度 对极化影响很大：极性气体介质具有负的温度系数；对极性液 体和固体介质，二者关系比较复杂：随着温度的升高，分子间 的黏附力减弱，有利于转向极化， r 随之增大；另一方面，温 度升高时，分子的热运动加强，对极性分子定向排列的干扰也 随之增强，阻碍转向极化的完成，所以当温度进一步升高时， 介电常数反而趋向减小。
理量。表征电介质在电场作用下极化程度的物理量，其 物理意义表示金属极板间放入电介质后电容量（或极板 上的电荷量）比极板间为真空时的电容量（或极板上的 电荷量）增大的倍数。
材料
气体介质
液体介质
弱极性 极性
中性
固体介质 极性
离子性
名称 空气 变压器油 蓖麻油 石蜡 松香 云母
介电常数 1.00058
2.2 4.5 1.9~2.2 2.5~2.6 5~7
二、离子式极化
固体无机化合物（云母、玻璃、 等）的分子结构多数属于离子式结构， 其分子由正、负离子构成。在无外电 场作用下时，各个离子对的偶极矩相 互抵消，故平均偶极矩为零。
在外电场E作用下，正、负离子 将发生方向相反的偏移，使平均偶极 E 矩不再为零，介质呈现极化，这就是 离子式极化。
离子式极化的特点：1、极化过程极短；2、极化具有弹性， 无能量损耗；3、温度对极化有影响：温度升高，离子间的结 合力减弱，极化程度增加；但密度减小，使极化程度降低，综 合起来，前者影响大于后者，所以离子式极化随温度升高而增 强， 具有正 r 的温度系数。
C Q2 t0 U 3
加压瞬间，两电介质分界面上的正、负电荷相等，并不呈现电 的极性。
极化过程可用等值电路来解释。
C1 1, C2 2, G1 2,G2 1,U 3
开关S在t=0时合上，电压突然从零升至U作用在两电介质上， 这相当于施加一很高频率的电压，故此时两电介质上的电压按 电容成反比分配，即：
u1 C2 2 u2 t0 C1
u1 t0 2,u2 t0 1
Q1 t0 C1U1 2,Q2 t0 C2U2 2
§1-1 电介质的极化
一、极化的概念与介质的相对介电常数
极化：电介质中在电场作用下其束缚电荷相应于电场方向产生 弹性位移现象和偶极子取向现象。这时电荷的偏移大都是在原 子或分子的范围内作微观位移，并产生电矩（偶极矩）。
实测表明：两个结 构、尺寸完全相同 的电容器，如在极 间放置不同的电介 质，电容量是不同 的，真空电容器的 电容量是最小的。