固体电介质的介电常数

2.1.2 电介质介电常数
一、气体的介电常数：相对介电常数 二、液体的相对介电常数
εr≈1
• 中性和弱极性液体: εr值1.8～2.8,(变压器油、苯、硅油 等），其值随频率及温度变化较小。
• 极性液体电介质： εr值较大（几到几十）
与频率的关系：f较小时，偶极子来得及随外加电场转向 εr值较大，f>f0，偶极子转向跟不上外加电场极性变化， εr 随频率的增加而减小。
固体、液体介质的电导率γ与温度T 的关系：
B
Ae T
A、B 为与介质有关的常数，
T 为绝对温度，K 。
２.１.４、电介质的损耗
（一）介质损耗基本概念 介质损耗：在电场作用下电介质中引起的能量损耗。
直流下：仅有电导引起的损耗。 交流下：电导损耗＋极化损耗 。 交流电压下，介质中的 电流及相量
电泳电导：存在于液体介质，载流子为带电的分子团，通常是 乳化状态的胶体粒子（如绝缘油中的悬浮胶粒）或 细小水珠，吸附电荷后变成了带电粒子。
一、液体电介质的电导
中性（弱极性）液体：杂质离子电导、电泳电导，电导率较低
极性液体：本征离子电导、杂质粒子电导、电泳电导，电导 率较高。
二、固体电介质的电导 中性（弱极性）固体：杂质离子电导、电泳电导，电导率较低 极性液体：本征离子电导、杂质粒子电导、电泳电导，电导 率较高。
2.1 液体和固体介质的极化、电导和损耗
2.1.1 电介质极化
电介质的极化：在外电场作用下，使介质中彼此中和的正
负电荷产生位移，介质表面出现束缚电荷
介电常数ε—表示电介质极化强弱。 平行平板电容器，
极间为真空时：
C0
Q0 U
0A
d
放置固体介质,电容量将为：
C Q0 Q' A
U
d
相对介电常数：
r
固体、液体的电导：主要为离子电导，由化学分解 或热电离所产生的正负离子沿电场方向移动形成。
２.１.３ 电介质的电导
电导率：表征电介质导电性能的主要物理量，其倒数为电阻率 电介质的电导:电子电导、离子电导、电泳电导
电子电导：介质中自由电子，其数目数极少，电子电导很微弱 离子电导：
本征离子电导：介质分子本身的离解产生的带电粒子 杂质离子电导：介质中的杂质离解形成的带点粒子
荷作用中心重合，不显电性。 有外电场 ：原子中的电子轨道发生弹
性位移，正、负电荷作用 中心不再重合，对外呈电性
电子式极化存在于一切电介质中
图2-1 电子式位移极化
特点： 1、完成极化需要的时间极短；约10－15s。 2、弹性极化，外场消失，正、负电荷作用中心 重合，对外呈中性，不产生能量损耗。
(二) 离子式位移极化
C C0
0
电介质的εr值（20°C时）：气体εr接近于1，
液体和固体大多在2—6之间。
电容器：
选取εr较大的材料；
其他电气设备：选用εr较小的电介质。
交流和冲击电压下：串联的多层电介质的电场强度分 布与各层电介质的εr成反比。
极化型式：电子式、离子式极化、偶极子式、夹层极化。
(一)电子式极化
无外电场：介质中原子Hale Waihona Puke Baidu分子）正、电
无外电场时：因分子热运动，介质 中电偶极子杂乱无序 的排列，宏观电矩等 于零，整个介质对外 不呈现电性。。
（a）无外电场
（ b）有外电场
有外电场时：介质中电偶极子沿电 场方向定向排列，介 质对外呈现电性。
2-3 偶极子式极化
特点：1、极化所需的时间也较长，10－6—10－2s。 极化程度与 外施电源频率有较大关系，频率提高，极化减弱。 。
中性：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、云母、石棉等。 • 极性固体电介质： εr值３～６，值较大。
与频率和温度的关系：与极性液体介质相近。 极性固体电介质有：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃、涤
纶等
２.１.３、电介质的电导 电介质的电导与金属电导有本质区别
气体的电导：自由电子、正离子和负离子在电场作 用下定向移动形成。
与温度的关系：温度低， εr较小；温度提高， εr增大；温 度过高，分子热运动加剧，对偶极子的转向有阻滞作用， εr 随温度的提高减小。
图2-4 极性液体电介质的 εr与频率关系
图2-5 极性液体、固体电介质的 εr与频率关系
三、固体电介质的介电常数 • 中性和弱极性固体: 仅存在电子式和偶极子式极化，εr值 较小，，其值随频率及温度变化较小。
● ○--钠离子极化前后的位置 ▲ △--氯离子极化前后的位置
2、所需时间很短（约10－12~10－13s)，
几乎与外电场频率无关。
3、随温度的升高极化程度增强， 原因：介质体积膨胀， 离子间距增大，相互作用力减弱。
(三)偶极子式极化
极性电介质（胶木、橡胶等）：分子中正、负电荷作用中心 永 不重合，具有固有的电矩，为一电偶极子。
U1
C2
U 2 t 0
C1
t=∞ ,电压分配将与 电导成反比：
U1
G2
U 2 t
G1
(a)双层电介质
(a)等值电路
图2-6 直流电压下双层电介质的夹层极化
一般： C2 G2
C1 G1
即C1、C2上的电荷需要重新分配。
设：C1< C2，而G1>G2，则：
t=0时，
U1>U2
t→ ∞ 时， U1<U2
可见，随着时间t的增加，U1下降而U2增高，而外施电压U不
变。这就意味着C1要通过G1放掉一部分电荷（ 使U1下
降），而C2要通过G1从电源再补充一部分电荷（使 U2
上升），于是分界面上将积聚起一批多余的空间电荷，
这就是夹层极化引起的吸收电荷
吸收电流：电荷积聚过程所形成的电流。
特点：1、极化涉及电荷的移动和积聚，伴随能量损耗； 2、极化过程较慢，极化时间需要几分之一秒、几 分钟、甚至几小时。
离子式极化:存在于（离子式结构）固体无机化合物中。 无外电场时：晶体的正、负离子对称
排列，各个离子对的偶 极矩互相抵消，故平均 极矩为零。介质呈中性。 有外电场时：正、负离子将发生方向相
反的偏移，使平均偶极矩
不再为零，介质呈现电性。 图2-2 氯化钠晶体的离子式极化
特点：1、弹性位移极化，外电场消失 后即恢复原状，无损耗。
2、极化过程需要消耗一定的能量
(四)夹层极化
夹层极化：多种电介质组成的绝缘结构中出现的极化现象。 外施电压，各层介质上的电压将从开始时按介电常数分布逐
渐过渡到稳态时按电导率分布，在电压重新分配 的过程中，夹层界面上会积聚起电荷—夹层极化。 例：平行板电极的双层电介质绝缘
t=0时合上开关，电压 分配与电容成反比：