修改版-电介质极化与介电常数

前言2 前言2：电介质介电常数对电场分布的影响
D = ε 1 E1 = ε 2 E2 = σ
U0 E=− r ln(r2 / r1 )
前言3 前言3：电介质物质结构的基本形式
形成分子和聚集态的各种健： 形成分子和聚集态的各种健： 离子健 共价键 分子健 电介质的分类：根据化学结构分为3 电介质的分类：根据化学结构分为3类 非极性及弱极性电介质 偶极性电介质 离子性电介质
5、与场强关系：与外加电场有关，外电场越强，极 与场强关系：与外加电场有关，外电场越强， 性分子的转向排列就越整齐， 性分子的转向排列就越整齐，转向极化就越强
4：夹层极化
合闸时： 合闸时：
U1 U2
1 C1
极化机理： 极化机理：
稳态时： 稳态时：
U1 = 1 G1 1 + 1 G1 G2 U= G2 U G1 + G2
﹒ ﹒ ﹒ H﹒+ Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
=
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ H ﹒ Cl ﹒ ﹒ ﹒
第一大性质： 第一大性质： 电介质的极化及介电常数
一、极化现象
平板真空电容器电容量： 平板真空电容器电容量：
Q0 ε0 A C0 = = U d
插入固体电解质后电容量： 插入固体电解质后电容量：
Q0 + Q' εA C= = U d
3：转向极化
E=0 E
极化机理： 极化机理：
(a)无外电场 无外电场
+ + +
-+-+ -+ - + -+ -+ -+ -+ -+ -+ (b)有外电场 (b)有外电场
在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子 在外电场作用下， 电偶极子）顺电场方向定向排列， （电偶极子）顺电场方向定向排列，对外显示 出极性， 出极性，称极性分子的转向极化
电介质极化应用实例： 电介质极化应用实例：平行平板电极间距离为 cm，在电极上施加55 kV的工频电压时未发 2 cm，在电极上施加55 kV的工频电压时未发 生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 cm的聚 生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1 cm的聚 乙烯板（ =2.3） 乙烯板（εr=2.3）时，问此时会发生间隙击 穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板前 穿现象否？为什么？ 后的各介质中的电场分布。 后的各介质中的电场分布。
相对介电常数： 相对介电常数：
ε = C = Q0 + Q εr = ε0 C0 Q0
'
相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
Q' — 由电介质极化引起的 束缚电荷
一、极化现象
电介质原先不显电性 放入到电场时， 电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作 原先不显电性， 用电介质内部物理结构发生变化， 用电介质内部物理结构发生变化，结果导致电介质内 部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显 部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显 现电性。 现电性。这个过程称作极化
t =0
U1 U= C2= 1 1 U1 C2 UG2 C1 + C= = 2 + C C1 C2U G
1
当： 则：
ε1 ≠ ε2
U1 U2
U2 =
C1 γ 1C2 U2 C1 + ≠ γ
2 t →∞
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1
G1 U2 = U G1 + G2
U1 ≠ U2 t =0
t →∞
存在电压从新分配，电荷在介 存在电压从新分配， 质空间从新分布， 质空间从新分布，夹层界面出 现电荷堆积， 现电荷堆积，从而对外显电性
电位移矢量D 电位移矢量
电场强度E 电场强度
极化强度P 极化强度
D = ε 0 E + P = ε 0 E + χε 0 E = (1 + χ )ε 0 E = ε r ε 0 E = εE
二、极化概念
d
-q +q 1：电偶极子(dipole)：相距很近的两个极性相反 偶极子(dipole) (dipole)： 量值相等的电荷： 量值相等的电荷：对外产生电场 偶极距： 2：电偶极距：p＝q×d:表示电偶极子的特性 3：极化强度：单位体积内的电偶极距：P。 极化强度：单位体积内的电偶极距： 极化： 4：极化：电介质在电场中产生电偶极子并使其方向 与外电场方向一致、 与外电场方向一致、或使原来就有的电偶极子转 向与外电场方向一致 + + + + + + + E0
课堂作业： 课堂作业： p14页 p14页1－6 后一问
气体电介质的介电常数
气体分子间的距离很大，密度很小， 气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化 率很小，一切气体的相对介电常数都接近1 率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。 气体的介电常数随温度的升高略有减小， 气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力 的增大略有增加，但变化很小。 的增大略有增加，但变化很小。
解：a：空气；s：塑料介质 空气； (1)插入前 (1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm 插入前： (2)插入后 (2)插入后：Vs/Va= εa/ εs，得Va=2.3Vs 插入后： V0=Vs+Va=3.3Vs Vs=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Es=16.7 kV/cm Va=V0-Vs=55-16.7=38.3 (kV) =55Ea=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强 kV/cm的空气击穿场强 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿， 故插入聚乙烯板后空气间隙击穿，然后聚乙烯板也被击穿
电介质性质： 3：介质极化（相对介电常数）：介质在电场 介质极化（相对介电常数） 电介质性质：
中电荷中心重新分布， 中电荷中心重新分布，对外显电性
4：介电损耗（介质损耗角δ或其正切tgδ）： 介电损耗（ tgδ）
达当施加交流电压时，物质内部电荷往复运动、吸收电源能量、发热 达当施加交流电压时，物质内部电荷往复运动、吸收电源能量、
2：离子位移极化
极化机理： 极化机理：
在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极 在外电场作用下， 负离子发生偏移， 正负离子的中心之间产生电矩， 性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化
2：离子位移极化
特点： 特点：
1、范围：由离子键构成的电介质中 范围： 能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、 2、能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷 间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。 间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。 有微量能量损耗 3、与频率关系：极化完成时间约为 l0-12-10-13s，当交变 与频率关系：极化完成时间约为 电场的频率低于红外线光频率，离子位移极化与频率无 电场的频率低于红外线光频率， 关 4、与温度关系：温度对离子式极化的影响，存在着相反 与温度关系：温度对离子式极化的影响， 的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低， 的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低，使极 化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小， 化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极 化程度降低。 化程度降低。通常前一种因素影响较大 与场强关系： 5、与场强关系：极化程度与电场强度成正比
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极化前
极化后
三、极化类型 1：电子位移极化 2：离子位移极化 3：转向极化 4：空间电荷极化（包括夹层介质 空间电荷极化（ 界面极化） 界面极化）
1：电子位移极化
特点： 特点： 极化机理： 极化机理：
1、范围：一切气体、液体及固体介 范围：一切气体、 质中 能耗：具有弹性， 2、能耗：具有弹性，当外电场去掉 依靠正、负电荷间的吸引力， 后，依靠正、负电荷间的吸引力， 作用中心又马上会重合， 作用中心又马上会重合，对外不 显电性。 显电性。不引起能量损耗 当物质原子里的电子 轨道受到外电场 E 的作用 与频率关系：极化速度快， 3、与频率关系：极化速度快，1014-10-15秒， 在各种频率的交变 时，其负电荷作用中心相 对于原子核产生位移， 对于原子核产生位移，形 电场下均能产生， 电场下均能产生，与频率无关 成电矩， 成电矩，称电子的位移极 与温度关系： 4、与温度关系：无关 化。 与场强关系： 5、与场强关系：极化强度与电矩的 大小成正比
高电压设备的绝 缘由几种不同的材料 组成，或介质不均匀， 组成，或介质不均匀，这种情况 会出 极化”现象。 现“夹层介质界面 极化”现象。
4：夹层极化
特点： 特点：
1、范围：出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、 范围：出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、 互感器、 互感器、电抗器等复合绝缘中 2、能耗：电流流过电导，有能量损耗 能耗：电流流过电导， 3、与频率关系：只在低频下有意义，夹层界面上电 与频率关系：只在低频下有意义， 荷的堆积是通过介质电导G完成的，其过程很缓慢， 荷的堆积是通过介质电导G完成的，其过程很缓慢， 它的形成时间从几十分之—秒到儿分钟， 它的形成时间从几十分之—秒到儿分钟，甚至有长达 几小时的。 几小时的。 4、与温度关系：温度影响电导率 与温度关系： 5、与场强关系：空间电荷与电压大小有关 与场强关系：
时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化 分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向， 减弱。对于液体、固体介质：则温度过低时， 减弱。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系 例如粘度很大) 分子难以转向．极化较弱。所以极性液体、 紧(例如粘度很大)，分子难以转向．极化较弱。所以极性液体、 固体介质在低温下先随温度的升高极化加强， 固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变 得较强烈时， 得较强烈时，极化又随温度上升而减小
ε
ε1E1 = ε2E2
3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关， 劣化和热击穿的主要原因 4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 绝缘试验的理论依据： 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁 5、研发新型绝缘材料
3：转向极化
1、范围：极性分子构成的电介质 范围：
特点： 特点：
2、能耗：分子转向存在摩擦，有明显能量损耗 能耗：分子转向存在摩擦， 与频率关系：极化完成时间约为 3、与频率关系：极化完成时间约为 l0-6-10-2s，甚 至更长，有可能跟不上交变电场的变化， 至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率 减小 4、与温度关系：与温度有关，对于极性气体介质：温度高 与温度关系：与温度有关，对于极性气体介质：
电介质的电气性能
前言1 前言1：绝缘体的四大性质
电气绝缘性质： 导电性（电阻率或电导率） 电气绝缘性质：1：导电性（电阻率或电导率） ：加压后有微
小电流导通：希望能保持住电压 小电流导通：
2：绝缘击穿（击穿电压或击穿场强）：达 绝缘击穿（击穿电压或击穿场强）
到某电压时电流急剧增大，绝缘体变成导体 到某电压时电流急剧增大，
5：空间电荷极化
E
极化机理：正负离子移动 极化机理： _ _+ 适用范围： 适用范围：含离子和杂质离子的介质 _ + + 极化程度影响因素： 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在：极化建立时间很长） 电源频率（低频下存在：极化建立时间很长） 温度（有关） 温度（有关） 空间电荷极化 消耗能量：非弹性； 消耗能量：非弹性；有能耗
2.6 ~ 2.7
6.5 4.5 3.0 ~ 3.5 5~7 5.5 ~ 6.5
五、谈论介电常数的意义
1、选择绝缘： 选择绝缘： 电容器 εr大 电容器单位容量体积和重可减少 εr小 可使电缆工作时充电电流减小 电缆 电机定子线圈槽出口和套管 小,可提高沿面放电电压 2、多层介质的合理配合：电场分布与 成反比 多层介质的合理配合： εr 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理
17
2
8
7
11
2
8
1
Cl
Na
NaCl
离子结构电介质 (岩盐) 岩盐)
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ 共价键﹒ Cl +﹒ Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ Cl Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
Cl2
中性共价键
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ Cl Cl ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒ ﹒
极性共价键
四、典型电介质的介电常数
材料类别 气体介质标准大气条件 弱极性 液体介质 极性 强极性 中性或 弱极性 固体介质 极性 离子性 名称 空 气 变压器油 硅有机液体 蓖麻油 氯化联苯 酒 精 水 沥 青 纤维素 胶 水 聚氯乙烯 云 母 电 瓷 相对介电常数 εr（20℃） 20℃ 1.00058 2.2 ~ 2.5 2.2 ~ 2.8 4.5 4.6 ~ 5.2 26 81