最新交变电场中电介质的损耗-复介电常数.ppt

交变电场中电介质的损耗复介电常数(共10张PPT)

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为便于考察在交变电场作用下电介质的性质，
引入复介电常数，将复介电常数 ε* 分成实、虚部，
引入两个实数：ε’ 和 ε”。于是有：
引入复介电常数 ε* ， ε* 与频率和温度都关系。此时电容量 C ＝εr C。最后，还讨论了有损耗介质等效电路的处理方法。
ε’、ε” 及 t第gδ 一与频项率和( 温ε’度)的，关系复式介。电常数的实部
此时电容量 C ＝εr C。
于第是一，项电iω流第ε对rε二0电E压项的就相是( 位ε位”就移)不电，会流恰复密好度介相D差电，是常90由o数于。介的质虚极化部产生的。
( S - 极板面积，d –电介质厚度 )。
的ε” 关称系为损耗引因入素，复相对介电常数 ε*r 时，有：
C ＝εrε0 S/d ； ε’ 或 εr’ 对应于电容项（储能）。第二项 ( ε” ) ，复介电常数的虚部为便于考察在交变电场作用下电介质的性质，记住这个事实！
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在讨论 ε” 及 tgδ 与频率和温度的关系时：需要计及电场强度 E 与电位移 D （回避不掉的物理量）需要考虑电流 I 或电流密度 j （非常有用的物理量）
特别需要考虑：交变场中电流电压之间的相位关系
即电流 I 或密度 j 与电压 U 或场强 E 之间的相位关系引出功率损耗概念。在计入漏电导损耗后，给出漏导对松弛损耗的附加影响。
4-4
电流与电压关系如图 4-2 。由于，G =γ S/d ； C ＝εrε0 S/d ；V = E d ( S - 极板面积，d –电介质厚度 )。代入式 ( 4-4 ) 后，可求出电流密度 j 为：
4-5 式 (4-5) 还可以写成
4-6
ψ

交变电场中电介质的损耗-介质损耗

由于电介质极化滞后性，D 与 E 有相位差。D ＝εE 关系式不再适用。
对正弦交变电场：电容电流超前于电压的相角小于π/2，电容量不能再用 C =εr C0 公式。
设在平行平板介质电容器上，加上正弦交变电场：
E ＝E0 cosωt 4-28
根据介质损耗定义，单位时间内单位体积中损失的能量： 4-29 式中，T 为周期。由ω＝ 2πf ＝ 2π/T，可得到 1/T ＝ ω/2π。于是： 4-30 式中 j 为电流密度，其大小与电容器极板上真实电荷密度 σ 有关系： 4-31 公式（4-31）是由高斯定理推出的。
原子内层电子：具有 1019 Hz 数量级的临界频率 ( x 射线范围 )
高于1019 的电磁场，不能在原子内激励起振动，故材料不出现极化效应，此时，εr = ε0。频率低于内层电子共振频率：电子受到电磁场电分量作用，随电磁场振动，使材料极化，εr ＞ 1。电磁场频率低于价电子共振频率：价电子共振频率在 3×1014 Hz ~ 3×1015 Hz 范围，即从紫外 ( 0.1μm ) 到近红外 ( 1μm ) 光谱范围，则这些电子参与电介质的极化。同类型 “共振” 在分子和晶体内的原子振动频率下也会发生。约 1012 Hz ~ 3×1013 Hz 如果频率低于原子振动频率，则出现一种新的相互作用，即恢复力不是弹性的，而具有粘滞性的特点，这一特点与能量损耗有关。
（2）电介质中发生慢极化与反常分散（反常频散）例如：
与热运动有关的热离子极化及热转向极化，其建立时间较长 ( 约 10-4 秒
~10-9 秒 )，当电场变化频率超过一定限度时，这些慢极化来不及建立而产生极化滞后现象，即介质的极化强度滞后于电场强度 E。
此时，将消耗一部分能量，形成介质损耗。

2014-第四章-5-交变电场中电介质的损耗-弛豫机制与松弛时间资料PPT课件

第四章交变电场中电介质的损耗
复介电常数介质损耗弛豫现象德拜方程弛豫机制介质损耗与温度的关系考虑漏电导时的介质损耗
2020年9月28日
1
1. 电介质的弛豫机制与松弛时间热转向极化与热离子极化是常见的两种松弛极化。它们有着不同的弛豫机制。
介绍弛豫机制；不同模型假设下所引出的松弛时间；为下节讨论 εr’ 、εr’’ 与温度关系打下基础。
2020年9月28日
16
将式 (4-111) 代入式 (4-112)，即得到随时间变化的热离子极化强度：
4-113
式中松弛时间：
4-114
此式表明： 1）温度 T 一定时，固体介质中弱离子活化能 U 越大，
松弛时间τ亦越大，即极化建立时间越长。 2）对一定结构的介质，U 不变时，
则松弛时间τ 随温度 T 升高而呈指数关系减小，反之亦然。
4-111
式中，由电场引起的位能变化 △U＝ qδE/2
加电场
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15
式 ( 4-111) 说明，加上电场后，存在过剩跃迁离子，位置 2 与 1 相比离子比较集中，这破坏了原先电荷均匀分布状态，出现了偶极矩。其极化强度为：
4-112
式中 ( n2 - n1 ) 除 2 说明过剩跃迁离子数为 ( n2 - n1 ) 的一半，其含义是：当从 “1” 迁移到 “2” 的离子数比从 “2” 迁移到 “1” 的离子数净多一个时 ( 即过剩迁移离子为一个 )，“2” 处虽多了一个，而 “l” 处却少了一个，其差 ( n2 - n1 ) 便为 2，因此，计算极化强度时，应取其一半计算。
2020年9月28日
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因此，平均来说，处在 “1” 位置与处在 “2” 位置的离子数保持相等。

介电损耗与介电常数

介电损耗与介电常数引言：介电损耗和介电常数是电介质中两个重要的物理性质。

介电损耗是电介质在交变电场中由于分子摩擦和极化导致的能量损耗现象，而介电常数则是描述电介质在电场中极化程度的物理量。

本文将详细介绍介电损耗和介电常数的概念、影响因素以及应用。

一、介电损耗的概念与影响因素介电损耗是指电介质在交变电场中由于分子摩擦和极化现象导致的能量损失。

当电介质处于交变电场中时，电场会使电介质内的分子发生摩擦运动和极化现象，从而将电能转化为热能。

这种能量损耗被称为介电损耗。

介电损耗的大小与多种因素密切相关。

首先，介电损耗与电介质的性质有关。

不同的电介质由于其分子结构和化学成分的不同，其摩擦和极化现象也会有所差异，因此其介电损耗的大小也会有所不同。

其次，介电损耗还与电场频率有关。

当电场频率较低时，电介质内分子的摩擦运动和极化程度较小，因此介电损耗较小；而当频率较高时，分子的摩擦运动和极化现象加剧，导致介电损耗增大。

此外，温度也是影响介电损耗的重要因素。

随着温度的升高，分子的热运动增强，从而增加了摩擦运动和极化现象，导致介电损耗增大。

二、介电常数的概念与影响因素介电常数是描述电介质在电场中极化程度的物理量。

当电介质处于电场中时，电场会使电介质内的分子发生极化现象，从而在电介质中引入一个电偶极矩。

介电常数就是描述电介质中电场强度与电偶极矩之间关系的物理量。

介电常数的大小与多种因素有关。

首先，介电常数与电介质的性质密切相关。

不同的电介质由于其分子结构和化学成分的不同，其分子极化程度也会有所不同，从而导致介电常数的大小也会有所差异。

其次，介电常数还与电场频率有关。

当电场频率较低时，电介质内分子极化现象较弱，导致介电常数较小；而当频率较高时，分子极化现象加剧，导致介电常数增大。

此外，温度也会影响介电常数的数值。

随着温度的升高，分子的热运动增强，从而影响了分子的极化程度，进而影响了介电常数的数值。

三、介电损耗与介电常数的应用介电损耗和介电常数在众多领域中都有广泛的应用。

第二章交变电场中的介质极化和损耗

2
U
I a 有功电流振幅 = tgδ = I r 无功电流振幅
电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。电介质的损耗可用损耗角正切tgδ来表征。
实际介质实际介质
I I∞ IR 位移极化松弛极化 Ir
Ira Irr
IR
介质漏导
I I∞ δ ϕ U
I ra + I R ∴ tgδ = I rr + I∞
P = ε 0 (ε S − 1)E 当电场变化∆E，极化强度变化为 ∆P = ε 0 (ε S − 1) ⋅ ∆E ⋅ Q ∆P∞ = ε（ε ∞ − 1）∆E 0 ∴ ∆Pr = ∆P − ∆P∞ = ε（ε s − ε ∞）∆E ⋅ e ⋅ 0
−t τ
如E = E（t）则：Pr t）（ =
−∞
∫ dP
t
ri
= ε（ε s − ε ∞） E（t i）e ⋅ 0 ∫
−∞
tdt i ⋅ τ
dt i ⋅ τ
P( t ) = ε 0 (ε ∞ − 1) ⋅ E( t ) + ε 0 (ε s − ε ∞ ) ∫ E( t i ) ⋅ e
−∞
−
t−ti τ
电介质的损耗和复介电常数
∞
三、Kramers-Kroning色散方程（与频率的关系）当已知电介质的全电流关系，就可以求出复介电常数与频率的关系。
& 如：E = E m e jωt ，并暂不考虑漏电流，由全电流公式： I（t） & & = = jωε ∞ ε 0 E（t） jω（ε s − ε ∞）ε 0 E（t） ϕ（x）e − jωx dx + J （t ） ∫ S 0
t
dU（u） ⋅ϕ（t − u）du ⋅ dt 0

介电常数和介质损耗角正切PPT教案

影响因素
(1)湿度材料的极性越强受湿度的影响越
明显。主要原因是高湿的作用，使水分子扩散到高分子的分子间，使其极性增加；同时,潮湿的空气作用于塑料表面,几乎是在几分钟内就使介质表面形成一个水膜层,它具有离子性质,增加表面电导. 因此,材料
和的介电常数介质损耗角正切tgδ都随之增加.
试样的状态调节和测试都应在标准环境.
(2)试验点间距选择如果在同一片试样上做多点试验，则应注意试验点之间要有足够的距离。该间距的大小应选在前一次试验后飞溅出的污物所污染的部分以外，否则使结果发生偏差。
(3)环境条件的影响除保持温度在23±1℃条件下试验外，还应注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，这是试验所不允许的。因而试验时，电极和样品系统放在一个密封罩内进行.
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(2) 温度
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影响因素
(3)测试电压
板状试样:电压2KV影响不大,过高则增加附加损耗. 薄膜:电压低于500V.过大使tgδ明显增加. (4) 测试用接触电极高频下,电极的附加损耗变大,因而电极材料本身的电阻一定要小.
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高聚物的介电性能
高聚物
26-28
30 24 15-25 22 15-19
18-6 17-22 25-40 16-20 20
2.2-2.4(1016Hz)
2.0-2.6(1016Hz) 2.5(1016Hz) 3.2-3.6(1016Hz) 4.1 4.0 3.4 3.7 3.0 2.0-2.2 2.9-3.1 2.2
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耐漏电起痕指数(PTI) 材料表面能经受住50滴电解液而没有形成漏电痕迹的耐电压值，以伏(v)为单位。

6电介质的极化、电导与损耗ppt课件

AA
令： P Q ' A
Q0
Q' A
Q0 A
Q' A
0E
P
D
P：极化强度
n
P Q ' Q ' d i1 Mi
A Ad V
极化强度的物理意义：单位体积中感应的偶极矩。
;
2、电介质极化种类极化的基本形式：
（1）、电子位移极化（2）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化（4）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化
;
;
3、讨论电介质极化的意义
（1）、选择用于电容器中的绝缘材料时，希望材料的 r大；绝缘结构则希望材料的 r小。（2）、串联介质中场强E的分布与 r成反比，几种绝缘材料组合在一起使用，要注意各 r值的配合，（3）、介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素，而材料的介质损耗与极化类型有关。（4）、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受潮情况。
;
（1〕弗仑开尔缺陷：格结点上的离子离开晶格结点位置，则在该晶格结点上形成空穴。这种离子和空穴组成的缺陷称为弗仑开尔缺陷。
;
（2〕肖特基缺陷：正、负离子逸出介质表面，而在晶格结点上出现两个空穴，这样组成的缺陷称为肖特基缺陷。
;
离子电流：晶格结点上的离子以结点为中心振动，在电场的作用下，与晶格缺陷相邻接的位置上的离子有可能落入晶格缺陷，这样，晶格缺陷就能顺序地在晶格中移动，形成离子电流。
H O. H . +.
H2O ;
偶极子转向极化的特点：
1）、偶极子转向极化存在于极性介质中； 2）、偶极子极化是非弹性极化，极化时要消耗的电场能量； 3）、极化所需的时间较长，约10-10-10-2s，故其 r随频率变化；

复介电常数和介质损耗的关系

复介电常数和介质损耗的关系一、引言介电常数和介质损耗是介质的两个重要物理参数，它们对于介质的电学性能具有决定性影响。

本文将探讨复介电常数和介质损耗之间的关系。

二、复介电常数的概念复介电常数是一种描述介质在交变电场下响应特性的物理量，通常用符号ε∗表示。

它是一个复数，可以分解为实部ε′ 和虚部ε″ 两个部分，即：ε∗ = ε′ - jε″其中 j 是虚数单位。

实部ε′ 表示了介质对于交变电场的抵抗能力，也称为介电常数。

虚部ε″ 则表示了介质在交变电场下的能量损耗情况，也称为介质损耗因子。

三、影响复介电常数的因素复介电常数受到多种因素的影响，包括频率、温度、压力等。

其中频率是最重要的因素之一。

在低频区域内，由于极化现象较为明显，导致复介电常数随着频率增加而不断增加。

而在高频区域内，则由于极化现象逐渐减弱，介质的电导率逐渐占主导地位，导致复介电常数随着频率增加而不断减小。

四、介质损耗的概念介质损耗是指在交变电场下，介质对于电能的吸收和转化为热能的现象。

它是由于介质内部分子、离子、电子等极化物质在交变电场作用下发生摆动和碰撞而产生的。

介质损耗可以用复介电常数中的虚部ε″ 来表示。

虚部ε″ 越大，说明介质对于交变电场的能量吸收越多，也就意味着它具有更高的介质损耗。

五、复介电常数和介质损耗之间的关系复介电常数和介质损耗之间存在一定程度上的关联性。

一般来说，复介电常数越大，说明该材料对于交变电场具有更强的响应能力，也就意味着它具有更好的极化性能。

但同时也会导致其对于交变电场能量吸收更多，表现为较高的介质损耗。

因此，在实际应用中需要根据具体情况进行权衡。

对于需要高极化性能的应用场景，可以选择复介电常数较大的材料；而对于需要低介质损耗的应用场景，则需要选择复介电常数较小的材料。

六、结论综上所述，复介电常数和介质损耗是介质电学性能中两个重要的物理参数。

它们之间存在一定程度上的关联性，需要根据具体情况进行权衡。

在实际应用中，可以通过优化材料结构、改变工艺等方式来调节复介电常数和介质损耗之间的关系，以满足不同应用场景下的需求。

第二讲交变电场下电介质的损耗

2.2 介质损耗
研究介质损耗问题，实质上就是研究能量转换问题。根据介质理论中关于介质损耗的定义，它是指电介质在单位时间内每单位体积中，将电能转化为热能(以发热形式)而消耗的能量。电介质在直流电场中，单位时间内每单位体积所消耗的能量为w＝γvE2 。而静介电常数为εs的电介质在静电场中所储存的静电能密度常用下面的方程来表示：
图2-1 理想电容器电流与电压的关系
下面接着分析电极间不是真空而是充满相对介电常数为εr的电介质，显然，此时的电容量具有新的值C＝εrC0，相应的电流变为 2-3 它比上述的电流要大εr倍。但是式(2-3)仅适用于理想的电介质，即假设所填充的电介质是理想绝缘的非极性电介质，此时，电流与电压仍然相差 90o相位。
2 电磁波在介质中的传播及复折射率电磁波在介质中的传播，是以麦克斯韦方程为基础的：
消去H，得出电磁波的传播方程： 2-15
在笛卡儿坐标系中，电介质中沿着x方向传播的平面波的波动方程可表示为： 2-16
式中电场强度矢量E和磁场强度矢量H在对x 轴垂直的y—z平面内互相正交。
方程(2—16)的通解是： 2-17
但由于G＝γ S/d及C＝εr εoS/d (s-极板面积， d-介质厚度)当代入式(2-4)后，即可求出电流密度j 为：
2-5
此式中的第一项iωεrεoE实际上就是位移电流密度jd，而其第二项γE亦即传导电流密度。
式(2-5)可写成
2-6
根据式(2-6)，可以由j＝γ*E引出复电导率 (complex conductivity) γ*： 2-7
2. l 复介电常数和复折射率
1 复介电常数考虑一个平行平板式静电容量为C0＝εoS／d的真空电容器。如果在该电容器上加上角频率为ω＝ 2πf的交流电压：

电介质及其介电特性-损耗26页PPT

谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
电介质及其介电特性-损耗
1、合法而稳定的权力在使用得当时很少遇到抵抗。 ——塞 ·约翰逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感；权力不易确定之处始终存在着危险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金子可以拉着它的鼻子走。— —莎士比

复数介电常数和损耗推导

进一步考虑电介质材料处于交变电场E =E 0e (i ωt)中的情况。

由于材料的电极化强度P 达到稳态需要一定时间，因此，电极化强度P 以及电位移矢量D 与电场E 的相位不同，存在相位差δ：
D=D 0e [i(ωt-δ)]
D/E=(D 0/E 0)e(-i δ)= (D 0/E 0)cos(δ)-i(D 0/E 0)sin(δ)= ε'-i ε”
ε'= D 0cos(δ)/E 0; ε”= D 0sin(δ)/E 0
电流密度为：
I =dD dt
=iωD =(iωε′+ωε′′)E 从电容器电路角度来看，ε”=0，I 和E 的相位差为90度，是没有损耗的电容器电流密度；ε”>0，上式右边第二项和电场同相，表示电阻的焦耳热，如下左图，下右图是带有电介质材料的等效电路，带电介质的电容器从电路的角度可以等效为一个没有损耗的电容器（不带电介质材料）和电导。

从电流密度公式可以得知，等效电容器的电容和电导为：
C =Aε0ε′d G p =ωAε0ε‘‘’′d 这里A 是平行板电容器的面积，d 是电容器的厚度。

单位时间，单位体积的电介质损耗为：
W vol =V 2R p ×1dA =V 2d ωAε0εr ′′
×1dA =V 2d 2ωε0εr ′′ δεεωtan = 2
vol r o W 'E。