第八章高聚物的电学性质
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第八章高聚物的电学性质
• 品种繁多的高聚物，有着极宽的电
学性能指标范围，它们的介电常数 从略大于1到103或更高，电阻率的 范围超过20个数量级，耐压可高达 100万伏以上。
第八章高聚物的电学性质
• 高聚物的电学性质是指聚合物在Βιβλιοθήκη Baidu加
电压或电场作用下的行为及其所表现 出来的各种物理现象。研究高聚物的 电学性质，具有非常重要的理论和实 际意义。
电介质的极化程度越大，Q 值越 大，ε 也越大。
介电常数是衡量电介质极化程度 的宏观物理量，表征电介质贮存 电能能力的大小。
第八章高聚物的电学性质
第三节 高聚物的介电损耗
一、介电损耗的意义及其产生原因 1.介电损耗的意义
电介质在交变电场中，由于消耗一部 分电能，使介质本身发热，这种现象 就是介电损耗。
3. 取向极化
• 取向极化又称偶极极化，是具有永久
偶极矩的极性分子沿外场方向排列的 现象。
• 由于极性分子沿外电场方向的转动需
要克服本身的惯性和旋转阻力。
• 极化所需要的时间长，一般为10-9s，
发生于低频区域。
第八章高聚物的电学性质
4.介电松弛谱
• 外电场强度越大，偶极子的取向度越大；温度越高，
即
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
第八章高聚物的电学性质
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt +D2 sinωt
D1 — 电位移矢量跟上施加电场的部分 D2 — 电位移矢量滞后于施加电场的部分
D1=D0cosδ D2 = D0 sinδ
第八章高聚物的电学性质
第八章高聚物的电学性质
• 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反
映材料内部结构的变化和分子运动状 况，因此电学性质的测量，作为力学 性质测量的补充，已成为研究高聚物 的结构和分子运动的一种有力的手段
• 电学性质的测量方法，由于可以在很
宽的频率范围下进行观察，显示出有 更大的优越性。
第八章高聚物的电学性质
分子热运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。
• 对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同，但
具有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子 链。
• 完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛时
间谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
第八章高聚物的电学性质
二、介电损耗产生的原因
（1）电介质中含有能导电的载流子， 它在外加电场的作用下，产生电导电 流，消耗掉一部分电能，转化为热能， 称为电导损耗。
第八章高聚物的电学性质
二、介电损耗产生的原因
• （2）电介质在交变电场下的极化过程中，
与电场发生能量交换。取向极化过程是一 个松弛过程，电场使偶极子转向时，一部 分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上， 转化为热量，发生松弛损耗；变形极化是 一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率 与原子或电子的固有振动频率相同时，发 生共振吸收，损耗电场能量最大。
第八章 高聚物电学性质
• 第一节 概述 • 第二节 高聚物的极化及介电常数 • 第三节 高聚物的介电损耗 • 第四节 高聚物的导电性 • 第五节 高聚物的介电击穿 • 第六节 高聚物的静电现象、危害和防止
第八章高聚物的电学性质
第一节 概述
• 大多数高聚物固有的电绝缘性质已
长期被利用来约束和保护电流，使 它沿着选定的途径在导体里流动， 或用来支持很高的电场，以免发生 电击穿。
• 在交变电场中的介电性质 • 在弱电场中的导电性质 • 在强电场中的击穿现象 • 在聚合物表面的静电现象
第八章高聚物的电学性质
• 绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓
越的电绝缘性能，其介电损耗和电 导率低，击穿强度高，为电器工业 中不可缺少的介电材料和绝缘材料
• 例如，用于制造电容器，用于仪表
绝缘和无线电遥控技术等
第八章高聚物的电学性质
三、高聚物的介电松弛谱
• 实际体系对外场刺激响应的滞后统
称为松弛现象。
第八章高聚物的电学性质
在交变电场E = E0 cosωt（E0为交
变电流峰值）的作用下，电位移矢 量也是时间的函数。 由于聚合物介质的粘滞力作用，偶 极取向跟不上外电场变化，电位移
矢量迟后于施加电场，相位差为δ，
• 本章将简要介绍高聚物的极
化，介电常数、介电损耗、绝 缘电阻、介电强度以及静电等 现象和概念。
第八章高聚物的电学性质
第二节高聚物的极化及介电常数
一、电介质在外电场中的极化现象
在外电场的作用下，电介质分子 或者其中某些基团中电荷分布发生 的相应变化称为极化（电子极化、 原子极化、取向极化、界面极化）
令 D1 / E0 ＝ ε′ D2 / E0 ＝ ε″
ε′— 实测的介电系数，代表体
系的储电能力
ε″— 损耗因子，代表体系的耗
能部分
第八章高聚物的电学性质
通常，用损耗角正切 tgδ表征聚合物
电介质耗能与储能之比，即
tgδ=ε″/ε′
取真空的相对介电系数为 1，则 非极性聚合物的介电系数在2左右， 损耗角正切小于110-4；极性聚合 物的损耗角正切在110-1~510-3 之间。
成的。
• 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极
化后变成个 ，分子中正负电荷中 心发生了相对位移。
• 极化所需要的时间约为10-13s并伴有
微量能量损耗。
第八章高聚物的电学性质
以上两种极化统称为变形极化或诱 导极化
其极化率不随温度变化而变化，聚 合物在高频区均能发生变形极化或 诱导极化
第八章高聚物的电学性质
• 真空电容器的电容为
C0
Q0 U
• 如果在上述电容器的两极板间充满电
介质，这时极板上的电荷将增加到Q，
Q = Q0 +Q′，此时，电容也相应增加
为C
CQ
U
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
• 定义含有电介质的电容器的电容C与相
应真空电容器的电容之比为该电介质
的介电常数ε，即
C Q
C0 Q0
第八章高聚物的电学性质
第八章高聚物的电学性质
1.电子极化
• 电子极化是外电场作用下分子中各个
原子或离子的价电子云相对原子核的 位移。
• 极化过程所需的时间极短，约为
10-13~10-15s。
• 当除去电场时，位移立即恢复，无能
量损耗，所以也称可逆性极化或弹性
极化。
第八章高聚物的电学性质
2.原子极化
• 分子骨架在外电场作用下发生变形造
• 品种繁多的高聚物，有着极宽的电
学性能指标范围，它们的介电常数 从略大于1到103或更高，电阻率的 范围超过20个数量级，耐压可高达 100万伏以上。
第八章高聚物的电学性质
• 高聚物的电学性质是指聚合物在Βιβλιοθήκη Baidu加
电压或电场作用下的行为及其所表现 出来的各种物理现象。研究高聚物的 电学性质，具有非常重要的理论和实 际意义。
电介质的极化程度越大，Q 值越 大，ε 也越大。
介电常数是衡量电介质极化程度 的宏观物理量，表征电介质贮存 电能能力的大小。
第八章高聚物的电学性质
第三节 高聚物的介电损耗
一、介电损耗的意义及其产生原因 1.介电损耗的意义
电介质在交变电场中，由于消耗一部 分电能，使介质本身发热，这种现象 就是介电损耗。
3. 取向极化
• 取向极化又称偶极极化，是具有永久
偶极矩的极性分子沿外场方向排列的 现象。
• 由于极性分子沿外电场方向的转动需
要克服本身的惯性和旋转阻力。
• 极化所需要的时间长，一般为10-9s，
发生于低频区域。
第八章高聚物的电学性质
4.介电松弛谱
• 外电场强度越大，偶极子的取向度越大；温度越高，
即
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
第八章高聚物的电学性质
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt +D2 sinωt
D1 — 电位移矢量跟上施加电场的部分 D2 — 电位移矢量滞后于施加电场的部分
D1=D0cosδ D2 = D0 sinδ
第八章高聚物的电学性质
第八章高聚物的电学性质
• 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反
映材料内部结构的变化和分子运动状 况，因此电学性质的测量，作为力学 性质测量的补充，已成为研究高聚物 的结构和分子运动的一种有力的手段
• 电学性质的测量方法，由于可以在很
宽的频率范围下进行观察，显示出有 更大的优越性。
第八章高聚物的电学性质
分子热运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。
• 对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同，但
具有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子 链。
• 完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛时
间谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
第八章高聚物的电学性质
二、介电损耗产生的原因
（1）电介质中含有能导电的载流子， 它在外加电场的作用下，产生电导电 流，消耗掉一部分电能，转化为热能， 称为电导损耗。
第八章高聚物的电学性质
二、介电损耗产生的原因
• （2）电介质在交变电场下的极化过程中，
与电场发生能量交换。取向极化过程是一 个松弛过程，电场使偶极子转向时，一部 分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上， 转化为热量，发生松弛损耗；变形极化是 一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率 与原子或电子的固有振动频率相同时，发 生共振吸收，损耗电场能量最大。
第八章 高聚物电学性质
• 第一节 概述 • 第二节 高聚物的极化及介电常数 • 第三节 高聚物的介电损耗 • 第四节 高聚物的导电性 • 第五节 高聚物的介电击穿 • 第六节 高聚物的静电现象、危害和防止
第八章高聚物的电学性质
第一节 概述
• 大多数高聚物固有的电绝缘性质已
长期被利用来约束和保护电流，使 它沿着选定的途径在导体里流动， 或用来支持很高的电场，以免发生 电击穿。
• 在交变电场中的介电性质 • 在弱电场中的导电性质 • 在强电场中的击穿现象 • 在聚合物表面的静电现象
第八章高聚物的电学性质
• 绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓
越的电绝缘性能，其介电损耗和电 导率低，击穿强度高，为电器工业 中不可缺少的介电材料和绝缘材料
• 例如，用于制造电容器，用于仪表
绝缘和无线电遥控技术等
第八章高聚物的电学性质
三、高聚物的介电松弛谱
• 实际体系对外场刺激响应的滞后统
称为松弛现象。
第八章高聚物的电学性质
在交变电场E = E0 cosωt（E0为交
变电流峰值）的作用下，电位移矢 量也是时间的函数。 由于聚合物介质的粘滞力作用，偶 极取向跟不上外电场变化，电位移
矢量迟后于施加电场，相位差为δ，
• 本章将简要介绍高聚物的极
化，介电常数、介电损耗、绝 缘电阻、介电强度以及静电等 现象和概念。
第八章高聚物的电学性质
第二节高聚物的极化及介电常数
一、电介质在外电场中的极化现象
在外电场的作用下，电介质分子 或者其中某些基团中电荷分布发生 的相应变化称为极化（电子极化、 原子极化、取向极化、界面极化）
令 D1 / E0 ＝ ε′ D2 / E0 ＝ ε″
ε′— 实测的介电系数，代表体
系的储电能力
ε″— 损耗因子，代表体系的耗
能部分
第八章高聚物的电学性质
通常，用损耗角正切 tgδ表征聚合物
电介质耗能与储能之比，即
tgδ=ε″/ε′
取真空的相对介电系数为 1，则 非极性聚合物的介电系数在2左右， 损耗角正切小于110-4；极性聚合 物的损耗角正切在110-1~510-3 之间。
成的。
• 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极
化后变成个 ，分子中正负电荷中 心发生了相对位移。
• 极化所需要的时间约为10-13s并伴有
微量能量损耗。
第八章高聚物的电学性质
以上两种极化统称为变形极化或诱 导极化
其极化率不随温度变化而变化，聚 合物在高频区均能发生变形极化或 诱导极化
第八章高聚物的电学性质
• 真空电容器的电容为
C0
Q0 U
• 如果在上述电容器的两极板间充满电
介质，这时极板上的电荷将增加到Q，
Q = Q0 +Q′，此时，电容也相应增加
为C
CQ
U
第八章高聚物的电学性质
5.介电常数
• 定义含有电介质的电容器的电容C与相
应真空电容器的电容之比为该电介质
的介电常数ε，即
C Q
C0 Q0
第八章高聚物的电学性质
第八章高聚物的电学性质
1.电子极化
• 电子极化是外电场作用下分子中各个
原子或离子的价电子云相对原子核的 位移。
• 极化过程所需的时间极短，约为
10-13~10-15s。
• 当除去电场时，位移立即恢复，无能
量损耗，所以也称可逆性极化或弹性
极化。
第八章高聚物的电学性质
2.原子极化
• 分子骨架在外电场作用下发生变形造