电介质物理实验讲义
高中物理竞赛讲义-电介质
电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
大学物理实验介电常数的测量的讲义
固体与液体介电常数的测量一、实验目的:运用比较法粗测固体电介质的介电常数，运用比较法法测量固体的介电常数,谐振法测量固体与液体的介电常数(以及液体的磁导率)，学习其测量方法及其物理意义，练习示波器的使用。
二、实验原理：介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr 来表示，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr ，它们满足如下关系：SCdr 00εεεε==式中ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，m F /1085.8120-⨯=ε，S 为样品的有效面积，d 为样品的厚度，C 为被测样品的电容量，通常取频率为1kHz 时的电容量C 。
替代法：替代法的电路图如下图所示。
此时电路测量精度与标准电容箱的精度密切相关。
实际测量时，取R=1000欧姆,我们用双踪示波器观察,调节电容箱和电阻箱的值,使两个信号相位相同, 电压相同，此时标准电容箱的容值即为待测电容的容值。
谐振法：1、交流谐振电路：在由电容和电感组成的LC 电路中，若给电容器充电，就可在电路中产生简谐形式的自由电振荡。
若电路中存在交变信号源，不断地给电路补充能量，使振荡得以持续进行，形成受迫振动，则回路中将出现一种新的现象——交流谐振现象。
RLC 串联谐振电路如下图所示:图一：RLC 串联谐振电路其中电源和电阻两端接双踪示波器。
电阻R 、电容C 和电感L 串联电路中的电流与电阻两端的电压是同相位的，但超前于电容C 两端的电压2π ，落后于电感两端的电压2π，如图二。
图二：电阻R 、电容C 和电感L 的电压矢量图电路总阻抗：Z ==L V →-RV →回路电流：V I Z==电流与信号源电压之间的位相差：1arctan i L C R ωωϕ⎛⎫- ⎪=-⎪ ⎪⎝⎭找到RLC 串联电路的谐振频率，如果已知L 的值，就可以得出C 的大小。
2、谐振法测量电容谐振法测量电容的原理图见上图一，由已知电感L ，电阻R 待测电容C x 组成振荡电路，改变信号源频率使RLC 回路谐振，使得双踪示波器两个频道的波形相位相同，电阻上电压最大,则电容可由下式求出：L f C X 2241π=式中f 为频率，L 为已知电感，C x 为待测电容。
电介质物理课件(2005-4)
1
2. 电子崩的形成：
粒子从电场中获得的动能: T=mv2/2=q2E2τ2/2m 从公式中看出：在电场作用下，带电粒子的动能正比于电 场强度的平方，反比于粒子的质量。而气体粒子中电子的 质量最小，所以在一定的电场下，自由电子所获得的动能 最大。因此，在气体所有粒子的相互碰撞中，与自由电子 的碰撞最容易引起碰撞电离。 发生碰撞电离的条件是： q Eλ≥Wi (原子、分子电离能） 随着 x的增加，电子数按指数增加。
3. 自持放电条件：
正离子沿电场方向运动 会与中性分子碰撞产生 游离，设
自持放电： 气体介质在阴极电子逸出（游离 剂）的作用下产生放电，当游离剂去除 后，气体介质的放电仍能够维持下去， 这种现象叫做“自持放电”。
游离碰撞系数为 （第二游离系数）。 但，这种游离碰撞的几 率很小， 0。
阴极上出现正离子堆积区 堆积区的厚度=10-10m；电压=10-2V； 堆积区的电场可达：E= 10-2V/ 10-10m=108V/m
气体介质本身，由于原子激励还原及离子复合时所 放出的光子产生了新的游离，以促使游离沿着通道发 展，构成流柱，最后导致击穿。
5. 不均匀电场中的气体放电（击穿） 不均匀电场中气体放电的特点：
• • • • • 在高电场区先产生电晕； U增大，电晕边缘出现树枝状放电:辉光放电或火花放电； U进一步增大，树枝状放电连通第二极 ——最终击穿。 从游离场强开始到击穿，随E增加，电流增大，但较慢。 击穿电场强度与电极的形状、距离有关。
j( A / m
2
)
IEII源自jS1IIIE (V / m )
E
i
E
b
常见的放电形式： •火花放电 瞬时，间断产生 常压附近 •辉光放电 出现均匀的明暗相间的辉光区 •电晕放电 电极的曲率小，电场不均匀，在电场尖端出现 暗蓝色微光 •电弧放电 功率大，连续弧光，温度极高
(大学物理ppt)第 4 章 静电场中的电介质
静电场中的电介质
一、电介质对电场的影响 二、电介质的极化 三、电极化强度
四、极化电荷
五、D 的高斯定律
六、电容器和它的电容
七、电容器的能量
一、电介质对电场的影响
电介质也即绝缘体
特点是分子中正负电荷束缚得很紧，内
部几乎没有自由电荷，不导电，但在电场中会
受到电场的影响，反过来也会影响原有电场的
P
pi
V
P np
其中 n 表示电介质单位体积内的分子数。
三、电极化强度
2. 电极化强度与电场的关系
对 各向同性 的电介质，当电场不太强时， 试验表明：
P 0 ( r 1) E 0 E
其中 r 1 叫做电介质的电极化率。
四、极化电荷
1. 面束缚电荷
在介质中取一斜柱，长为 l ，则穿过 dS 面 的总正电荷为
dq qndV qnldScos
而 故 p ql， np P dq PcosdS
-q
e n
l
dS +q
面束缚电荷密度 dq P cos P e n dS
E
四、极化电荷
2. 体束缚电荷
穿过 dS面的总正电荷为 PcosdS P dS dqout 穿过整个封闭面 S 向外的 电荷应为 d qout P dS qout
S S
-q
e n
l
S
dS +q
E
留在封闭面 S 内的体束缚电荷应为 q in - q out P dS
二、电介质的极化 在电介质内部的宏观微小的区域内，正负电
大学物理课件-4静电场中的电介质电介质中的电场高斯定理电位移
谢谢观看
2021/3/18
26
4πe r
Q R12
2
4πR1
er
1 Q
er
在外表面上的正极化电荷的总量为
q外
外 S外
er 1 4πe r
Q R22
4πR22
er 1Q er
2021/3/18
21
例2：平行板电容器充满两层厚度 +
为 d1 和 d2 的电介质(d=d1+d2 )，
相对电容率分别为e r1 和e r2 。
S1
求：1.电介质中的电场 ；2.电容量。
2021/3/18
12
在保持电容器极板所带电量不变的情况下， 电容与电势差成反比，所以
C C0
U012 U12
er
即
C = e r C0
式中C0是电介质不存在时电容器的电容。
可见，由于电容器内充满了相对电容率为e r的 电介质， 其电容增大为原来的e r倍。
2021/3/18
13
四、电介质存在时的高斯定理
但随着外电场的增强，排列整齐的程度要增大。
无论排列整齐的程度如何，在垂直外电场的两个端面上 都产生了束缚电荷。
结论：有极分子的电极化是由于分子偶极子在外电场的作用 下发生转向的结果，故这种电极化称为转向电极化。
说明：在静电场中，两种电介质电极化的微观机
理显然不同，但是宏观结果即在电介质中出现束缚
电荷的效果时确是一样的，故在宏观讨论中不必区
在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计
平均值，为了描述电介质在外场中的行为引入电极化
强度矢量。
2021/3/18
6
为表征电介质的极化状态，定义极化强度矢量：
电介质实验导书
电介质物理实验指导书目录实验一电解电容漏电流及容量与耗损角正切的温度特性测试 (1)一、实验目的 (1)二、实验仪器 (1)三、实验原理 (1)四、实验步骤 (2)五、实验要求 (2)实验二电介质材料击穿测试与分析 (4)一、实验目的 (4)二．实验仪器 (4)三．实验原理 (4)四．实验方法 (4)五．基本实验步骤 (5)六.注意事项 (6)实验三电介质材料介电系数和损耗角正切的频率特性测试 (7)一、实验目的 (7)二、实验仪器 (7)三、实验原理 (7)四、实验步骤 (9)五、实验要求 (9)实验四电介质介电常数和损耗角正切的温度特性测试 (11)一、实验目的 (11)二、实验原理 (11)三、实验仪器和材料 (14)四、实验步骤 (15)五、实验要求 (14)实验五电介质导电特性测试 (16)一、实验目的 (16)二、实验仪器 (16)三、实验要求 (16)实验一电解电容漏电流及容量与耗损角正切的温度特性测试预习报告一、实验目的1、掌握大容量电解电容器的测量方法。
2、掌握电解电容漏电流的测量方法3、学习本实验所用仪器的使用和工作原理。
4、了解电解电容器的容量、耗损角正切随温度的变化特征。
二、实验仪器1、YY2617大电容数字测量仪2、DF2686电解电容泄漏电流测试仪3、电解电容量（4700μF）。
三、实验原理图1 大容量测试仪工作原理图电解电容器的内部结构与其他类型的电容器相比有明显的不同，其阳极是生成氧化膜的金属，而这层极薄的氧化膜是电解电容的介质，而另一极则并非金属，而是所谓的“电解质”，它可以为液体，也可以是糊状，凝胶或固体。
此种结构特征决定了这类电容器的性能有其独特之处——体积小，电容量大，在电子线路中占有重要地位。
但也要承认正是这种特性的结构，使它的漏电流极大，可达1mA以上，相应的绝缘电阻不足1MΩ，因此损耗角的正切较大，而且电容量的稳定性差，具体表现之一为损耗角正切和容量随温度的变化而变化，所以在使用上受到一定的限制，只有了解和掌握了这些特点，才能进一步改进和发展电解电容器。
江苏省南京师范大学附属中学物理竞赛讲义-11.5电介质
11.5电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
《电介质物理》课件 电介质的击穿-4
+
+ 1 2 + +
6.8 6.0 5.2
lg U 0 c lg A
lgρ
2T0
1
lgU0c
3.0 2.6 2.2 1.8 400
0e
T0
lg lg 0
T0
+
4.4 3.6 2.8 700
两式比较，lgU0C～1/T0与lgρ～1/T0都是直线 关系，仅两条直线的斜率相差一倍 ，图与理 论相吻合。 常用这一关系作为热击穿的实验判据
2 1 2
2
在环境温度不高时，热击穿临界场强
e
2 T0
10
电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
2. 稳态热击穿 在外施电压U0作用下，在介质处于稳定状态时 电场强度E＝－（dφ/dx） 代入上式得
Q 1 4
是温度的函数，所以发热量Q1也是温度
的函数，因此对于不同的电压U值，Q1与t 的关系是一簇指数曲线，曲线1、2、3分别 为在电压U1、U2、U3 （U1＞U2＞U3） 作用下，介质发热量与介质导电通道温度的 关系。而散热量Q2与温度差（t－t0）成正比，
tc tm 2 b 3
c a 0 t0 ta tb
2
S d
R
又 t e
0
单位时间散出的热量:
Q 2 t t0 d
散热系数
t ——导电通道在温度t0时的电导率；
0
α——温度系数。
6
电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
材料物理04 电介质物理PPT课件
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(2005-3)
载流子浓度 n 1580 （1 / cm 3），相对于 N 0 6 .62 10 19 （1 / cm 3）是 很小的。
j 2. 电场较强时， n 2， qd j q（Nd n 2 d） qNd 常数 jS
3. 高电场区 如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获 得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大 。
Li Na K R
B 1 1.纯玻璃： A exp （ ） 10 -17 （ cm） T SiO2：B 22000 B2 O3：B 25500
激活能大，电导率低
引入一价金属离子的影响： 1．结构松散，使U下降，电导增加。 2．缺陷离子数增加 ，电导增加， 也与R2O的浓度成正比
L
欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手： 减小电介质的载流子数 , 降低迁移率。 极化和电导的区别：
A
离子微小位移 ——产生 离子从一个电极位移至另一 个电极 ——形成电导
m2 为载流子的迁移率 s V
如有m种载流子，
m
j ni qi i E
i0
§3-2 气体介质的电导
3§3-4固体介质电导霍耳效应固体介质按结构可分为： 晶体 非晶体 固体介质的电导按导电载流子的种类可分为： 离子电导 在弱场中主要是离子电导 电子电导 某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙， 钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈 现出电子电导的特性。 固体介质导电性质的判断： 霍尔效应 ―――判断电子电导 法拉第效应―――判断离子电导
A exp（ -
晶体中总的离子电导率 为：
负填隙 , 离子对电导的贡献。 ： U B ） A exp（ ） KT T 平均温度指数； 平均激活能（活化能） 。
电介质物理课件
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
大学物理电介质讲义省公开课获奖课件市赛课比赛一等奖课件
( pi 0)
无外电场
F 1
( pi 0)
有电场取向极化
E 0
E
极化旳宏观效果总是在电介质表面出 现电荷分布， 称为极化电荷或束缚电荷。 E E0 E 0
3、电极化强度 (Polarization intensity）
V
— 表征电介质极化程度 宏观描述？
前
pi 极化后每个分子旳电偶极矩 取宏观上无限小
dWe dq
Q2
We
dW
dq
0 40R
8 0 R
例12.5 半径为R、相对介电常数为εr 旳
Q R
球均匀带电
Q
，求其电场能量。
r
解：
D dS
S
q0i内
i
D 4r 2 4 r 3
E1 r
E2
电荷体密度：
3 Q
4 R3 3
D 0 r E
取体积元 dV 4r2dr
在无外 正负电荷中心不重叠 正负电荷中心重叠 电场时 （水、有机玻璃等） （氢、甲烷、石蜡等）
2、电介质旳极化
——在外电场作用下，介质表面感生出束缚(极化) 电荷旳现象．
微观机制：
E
无极分子
E
0
0
-+
无外电场 有电场位移极化
有极分子
E 0
E
0F
E
1
+q ( p ql ) -q
F 2
lF 2
和束缚电荷
E0和E 叠加
共同产生
0
单独产生旳场强为
E0
σ0 ε0
0 0
E0
单独产生旳场强为 E σ
E
ε0
电介质物理课件(2005-2)
tg
有功功率 wE 无功功率 wE
wE为有功电流密度 wE为无功电流密度
D0 sin E0
* 复介电常数
实部：为电介质的电容率，和介电常数一样表示电容性 虚部: 为损耗因子，表示介质中能量损耗大小 w0，s是静态介电常数
i i
如外加电场持续时间足
I（ （ C s C ） a t ）
0
全电流公式:
I(t ) C
I
a
(t)
I i (t t i ) (C
S
C
i1
) U ( t i ) ( t t i )
i1
dU ( t ) (C dt
s
C
)
0
dU ( t x ) ( x ) dx G U ( t ) dt
4．计算: 1） 直流电场下:不存在介质极化损耗 a.理想介质时，没有漏电流产生，也就没有的损耗 b.实际介质时，存在漏导，电阻不是无穷大 单位时间内介质的能量损耗： P U 2 / R E 2V 单位时间、单位体积、消耗的能量： 实际介质 理想介质 I
V C
漏导损耗与温度的关系
p
P V E2 jV E V
4
三、Kramers-Kröning关系式
目的：研究复介电常数的频率特性 关键：在于后效系数的确定 过程： ①利用全电流公式
I (t ) C dV ( t ) (C s C ) dt
1:位移电流
2:吸引电流 4:总电流 3:漏导电流
5:绝缘电阻
0
dV ( t x ) ( x ) dx GV ( t ) dt
9 电介质(大学物理)
R1
R2
r
R1
40 r r
2
dr
1 1 Q ( R2 R1 ) ( )= = 40 r R1 R2 40 r R1R2 Q
Q 40 r R1 R2 C r C0 ， C0 40 R1 R2 U R2 R1 R2 R1
SD dS = DS =
S
A
r
d
S
B
d
耐压限度
1、加入介质是提高电容的一种方法
2、电容器上通常标注的2个数据，eg：5PF，100v
2、球形电容器
S
D dS = D 4r 2 Q
r
R1 O Q
Q
R2
Q
Q Q E D 2 = 0 r E ， 4r 40 r r 2
的关系
r
D, E 0
导体
D n
S
D dS = D cosdS
S
S
D D D =侧 cosdS + 上 cosdS + 下 cosdS = DS = S
n0
D ， D 0 r E E ， E 0 r n0 n0 D n0 ，E 0 r 2 n0 ， D 的单位：C / m 真空：D n0 E ， 0
2
Q
Q
r R1
R2
R2
r
E0
S
自由电荷 0 r 0 0 ， r 1 1 ( ) S S E dS qi = = qf = S 0 r 0 0 内 0 r 内
- 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)。
电介质物理实验讲义
哈尔滨理工大学
电气与电子工程学院实验中心
实验一固体电介质体积电导率温度特性
电介质具有很小的电导率，电导率大小由载流子浓度、载流子电荷、载流子迁移率决定，即
γ=nqμ
一般来说，在低电场，高温下离子电导占主要部分，特别是在高温下离子电导显著增加，因为离子迁移率与温度有指数规律，所以，高温下电介质电导按指数规律增加。
这一规律，对于许多绝缘材料，在很宽的温度范围内被实验所证实。
一、实验目的
1、自己设计测量线路，设计测量电极系统，本实验给出二电极和三电极两种类型
2、掌握绝缘体积电导率的温度变化规律，且能够由实验曲线计算出电介质的电导
活化能
二、实验用仪器
本实验使用的主要仪器是ZC36型高阻计，整套仪器由直流放大器、高压直流电源及电极夹具组成，其简化线路如下图所示。
1、直流高压电源经整流后得到的直流高压，经分压器分为10，100，250，500，1000伏五档，根据被试物选择适当的测试电压，对于薄膜介质，注意不致在测试电压下发生击穿；
2、开关K
1有两个可调位置，
即“放电”和“测量”的两个
位置，K1置于“测量”位置时，
试样与整个线路接通，处于测
量状态，测试完毕后应将K1置
于“放电”位置，将充电电荷
放掉。
3、R0、R1、R2,…等是一组标准电阻，在仪器面板上是用倍率开关K3调节，其中R0是用来调节仪器的“满度”的，调节时K1置于“放电”位置，K3置于“满度”位置(即R0)，若此时指示仪表不偏转到满刻度则调节满度旋钮使其指示满刻度(即调节Rp)，其它标准电阻都是用来改变测量电阻量程的，使用应由小到大依次调节，使之得到准确读数。
其它有关部分在试验方法中加以介绍。
三、测试原理
由高阻计原理接线图可以看出，当在试样上施加直流电压U时，试样中的电流Ix 在标准电阻Rs(R1或R2，…)两端产生电压e g经直流放大器放大后，由微安表A测出输出电流Ip，则
g e p
g e
p
e S R R I g
=+=μ
s
c p s
g x
R S I R e I =
= p
s c x x
I R US I U R ==
式中 Rg 、Rp —分别为放大器和微安表内阻
μ—放大器的电压放大倍数 Sc —放大器的特征参数
由上式可以看出，对于一个固定的放大器，由微安表测出的输出电流，在该表上可以直接做成Ix 及Rx 的刻度。
因为Rx,Ix 与U 、Rx 有关，所以Rx 、Ix 数值等于微安表读数乘以倍率及选择电压对应的系数，已知Rx 后，便可根据电极尺寸求得电阻率或电导率。
四、实验原理
以高聚物或无机玻璃为试样，电导率的表达式为
γ = γ0 exp(-U ´/KT)
对上式两端取对数
ln γ = ln γ0 – U ´/KT
上式中温度对γ的影响主要取决于指数项，γ0随温度的变化相对于指数项是很小的，可以近似地看做常数，因此，ln γ与1/T 成线性关系，通过试验，测出不同温度时的γ值，在坐标纸上画出ln γ-1/T 关系，由直线斜率可以求得离子电导的活化能。
五、试验方法
(一)在进行试验之前高阻计各开关的位置
1、极性开关显于“○”位；
2、“放电”—“测试”开关置于“放电”位置；
3、“输入短路”开关置于短路位置；
4、电源开关置于“断”的位置；
5、倍率开关置于最低档1×102
； 6、测试电压置于10伏；
7、将试样放入电极盒内，防止电晕短路。
接地端要牢固地接入地线， (二)设备使用步骤：
1、合上电源开关，此时出现蜂鸣声，预热30分钟；
2、将极性开关置于“+”，调节微安表指针准确处于“0”(∞)位
3、将倍率开关置于“满度”位置，短路开关打开，调节满度，调好之后，将短路开关置于短路位置，倍率开关置一个适当位置；
4、选择适当的测试电压，所施电压应不使试品击穿；
5、把“放电”—“测试”开关置于“测试”位置，同时计时，待十秒钟将短路开
关打开，到加电压一分钟读数，
6、读数后将短路开关置于“短路”位置，“放电”—“测试”开关置于“放电”位置，经几分钟后残余电荷放完，方可触及试样，并可进行下一次测试；
7、室温下测一点，每升高10℃测一次，测10点左右，测试完毕将仪器各开关恢复至原始位置。
六、实验结果及讨论
将试验数据计入下表，并作出lnγ～1/T关系图
1、计算出试样离子电导的活化能，与相类似介质的活化能进行比较，说明活化能
对电导率的影响；
2、从lnγ-1/T关系分析一下电导率随温度变化的速度与哪些因素有关，
3、影响试验准确性的因素有哪些，试验中注意什么问题。
实验二气体、液体与固体介质的击穿当施加于电介质的电场强度增大到一定程度时，电介质便由绝缘状态变为导电状态，这一跃变现象称为击穿。
电介质的击穿是电介质的基本电性能之一，它决定了电介质在电场作用下，保持绝缘性能的极限能力。
气体介质是应用广泛的绝缘材料，气体介质一般都处于不均匀电场中，所以通过试验来研究气体介质的特性是必要的。
电介质的击穿是发生在介质内部的一个复杂过程，同一介质的击穿电压数值分散性较大。
通过试验找出在一定条件下的规律性，对于确定在电介质的应用范围以及如何提高其击穿场强是很重要的。
一、试验目的
1、在直流电压作用下，以试验结果验证棒-板电极的极性效应、极间屏障的作用，
及在交流电压作用下，以实验结果验证电场的不均匀程度对击穿场强的影响；
2、了解变压器油击穿电压的试验方法，水分及杂质对击穿电压的影响；
3、浸油与不浸油电缆纸的击穿电压的比较，从实验结果明确电缆纸只能在浸油下应
用的道理。
二、试验设备及线路
本试验主要设备是一套50KV工频高压试验变压器，其中包括控制系统，如下图所示。
另外附有各种电极及试样。
图中T1为调压器，T2为高压试验变压器，M1是装在安全门上的限位开关，只有在试验人员装接完毕试样离开高压危险区关上安全门时M1才闭合。
M2是装在调压器底部的限位开关，只有当调压器降到零时M2才闭合。
K2为接通控制回路的“合”开关，K1为切断控制回路的分开关。
继电器J带动四个常开点和一个常闭点，其中J1、J2起自锁作用，即当线路接通，J1、J2闭合，这时即使K2、M2打开，控制回路也不会被切断。
J3、J4闭合使调压器接通电源，绿灯亮说明电源有电，红灯亮说明调压器接通电源，可以升压进行试验。
一旦试样发生击穿，过电流继电器PM动作，J3、J4打开，切断调压电源。
三、试验内容及方法
1、在交流电下测量不同电极的空气击穿场强；在直流电作用下，测量针尖对平板电极中针尖极性分别为正极性与负极性及在电极间加入极间障的击穿场强。
2、将标准试油杯接于线路，并调好间隙尺寸(2.5毫米)待油中明显气泡消失，以2KV/S的升压速度升压，直至击穿；
3、将盛有较大距离的电极的烧杯接于线路，注入变压器油，油面距电极最高点距离不少于22毫米，先滴入水、加电压至击穿；然后放入微量纤维丝，观察纤维丝动向，直至击穿；
4、取100×100毫米电缆线若干张，测量未浸变压器油及浸变压器油电缆纸的击穿电压；。
四、讨论
对所试验内容，根据试验数据进行比较，并分别讨论，其中将气体击穿试验数据计入表中。