电介质的损耗

第二节电介质的损耗

作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。它是导致电介质发生热击穿的根源。电介质在单位时间消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。

1 损耗的形式

①电导损耗：

在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。

电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。

②极化损耗：

只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。用tg δ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。`

③游离损耗：

气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。

2 介质损耗的表示方法

在理想电容器中，电压与电流强度成90o ，在真实电介质中，由于GU 分量，而不是90o 。此时，合

成电流为：

；

故定义：——为复电导率

——复介电常数

损耗角的定义：

只要电导( 或损耗) 不完全由自由电荷产生，那么电导率σ本身就是一个依赖于频率的复量，故实部ε * 不是精确地等于ε，虚部也不是精确地等于。复介电常数最普通的表示方式是：

ε ' 、ε '' 都是领带依赖于频率的量，所以：

3 介质损耗和频率、温度、湿度的关系

1) 频率的影响

（1 ）当外加电场频率很低，即ω→0 时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，P W 和频率无关。tgδ=δ/ωε，则当ω→0 时，

tgδ→∞。随着ω的升高，tgδ减小。

（2 ）当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而ε r 随ω升高而减少。在这一频率围，由于ωτ＜＜1 ，故tgδ随ω升高而增大，同时Pw 也增大。

(3) 当ω很高时，ε r →ε∞，介电常数仅由位移极化决定，ε r 趋于最小值。此时由于ωτ＞＞ 1 ，此时tgδ随ω升高而减小。ω→∞时，tgδ→0 。

从图可看出，在ω m 下，tgδ达最大值，ω m 可由下式求出：

tgδ的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tgδ的最大值变得平坦，最后在很大的电导下，tgδ无最大值，主要表现为电导损耗特征：tgδ与ω成反比，如图

2 ）温度的影响

温度对松弛极化产生影响，因而P ，ε和tgδ与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数τ减小。

（1 ）当温度很低时,τ较大，由德拜关系式可知，ε r 较小，tgδ也较小。此时，由于，，，故在此温度围，随温度上升，τ减小，ε r 、tgδ和P W 上升。

（2 ）当温度较高时，τ较小，此时，因而

在此温度围，随温度上升，τ减小，tg δ减小。这时电导上升并不明显，所以P W 主要决定于极化过程，P W 也随温度上升而减小。

由此看出，在某一温度T m 下，P W 和tgδ有极大值，如左图。

（3 ）当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，ε r 下降。此时电导损耗剧烈上升，tgδ也随温度上升急剧上升。

比较不同频率下的tgδ与温度的关系，可以看出，高频下，T m 点向高温方向移动。

根据以上分析可以看出，如果介质的贯穿电导很小，则松弛极化介质损耗的特征是：tg δ在与频率、温度的关系曲线中出现极大值。

3 ）湿度的影响

介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使tg δ增大。对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸水分含量从4 ％增加到10 ％时，其tg δ可增加100 倍。

4 无机介质的损耗

1) 无机材料还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗。

a) 电离损耗

主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功率可以用下式近似计算：

式中A 为常数，ω为频率，U 为外施电压。U 0 为气体的电离电压。该式只有在U ＞U 0 时才适用，此时，当U>U 0 ，tgδ剧烈增大。

固体电介质气孔引起的电离损耗，可能导致整个介质的热破坏和化学破坏，应尽量避免。

b) 结构损耗

是在高频、低温下，与介质部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tgδ则和频率无关。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的，但是当某些原因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使它的部结构变松散了，会使结构损耗大为提高。

一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗，在常温、高频下，主要为松弛极化损耗，在高频、低温下主要为结构损耗。

2) 离子晶体的损耗

根据部结构的紧密程度，离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。

前者离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，如α-Al 2 O 3 、镁橄榄石晶体，在外电场作用下很难发生离子松弛极化（除非有严重的点缺陷存在），只有电子式和离子式的弹性位移极化，所以无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起（包括本征电导和少量杂质引起的杂质电导）。在常温下热缺陷很少，因而损耗也很小。这类晶体的介质损耗功率与频率无关。tgδ随频率的升高而降低。因此以这类晶体为主晶相的瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tgδ随温度的变化呈现出电导损耗的特征。

后者如电瓷中的莫来石（3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) 、耐热性瓷中的堇青石（2MgO·2Al 2 O 3 ·5SiO 2 ）等，这类晶体的部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动围扩大。在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动（包括接力式的运动）, 产生电导损耗。弱联系离子也可能在一定围来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。所以这类晶体的损耗较大，由这类晶体作主晶相的瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。

另外，如果两种晶体生成固溶体，则因或多或少带来各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较大的损耗，并且有可能在某一比例时达到很大的数值，远远超过两种原始组分的损耗。例如ZrO 2 和MgO 的原始性能都很好，但将两者混合烧结，MgO 溶进ZrO 2 中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗大大增加，当MgO 含量约为25mol ％时，损耗有极大值。

3) 玻璃的损耗

复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，决定于外界因素――温度和外加电压的频率。高频和高温下，电导损耗占优势；在高频下，主要的是由联系弱的离子在有限围的移动造成的松弛损耗；在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机理目前还不清楚，大概与结构的紧密程度有关。

一般简单纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系弱的松弛离子。在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。这是因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱