第5讲 电介质理论 (1)
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数与温度的关系（密度与温度）
极性电介质
如蓖麻油、氯化联苯等， r 数值在 26 范围内。还能用作绝缘介质
29
强极性电介质
如酒精、水等 , r>10 ，其电导 也很大，不能用做绝缘材料。 用作电容器浸渍剂时，可使电 容器的比电容增大，但通常损 耗都较大 电场的频率对极性液体电介质 介电常数r的影响很大！
介质的等值电容增大
17
极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 消耗能量：非弹性极化、有损
18
空间电荷极化
极化机理：正、负自由离子或电子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 消耗能量：非弹性极化、有损
随时间 t 的增大，U1 逐渐增大而 U2 逐渐下降，即 C2 上一部分电荷要通过 G2 放掉，而 C1 要从电源再 吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷
电荷重新分配，在两层介质的交界 面处有积累电荷
16
电荷重新分配，在两层介质的交
界面处有积累电荷
夹层界面上电荷的堆积是通过介
质电导 G 完成的，放电时间常数 为=(C1+C2)／(G1+G2)，高压绝缘 介质的电导通常都很小，这种性 质的极化只有在低频时才有意义
30
介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）
根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频 率变化的趋势作出解释 T不变
相对介电常数
6 f1 4 2 0 -30 -10 10 温度T (℃)
31
f 增大，r 减小 f 不变
f2 f3
T 升高，r 先增后减 粘度（分子间联系） 分子热运动
30
50
频率 f1f2f3
46
p P
极化电荷体密度
p P en
极化电荷面密度
根据电荷守恒原理，这两部分 极化电荷的总和
PdV ' P e dS ' 0 n
S'
V'
47
位移极化
极化 取向极化 极化（束缚）体电荷 和面电荷产生电场 影响原来的电场分布！
离子间结合力 离子密度
11
消耗能量：弹性极化、无损 (极微量->无损)
转向极化（偶极子弛豫极化）
极化机理：极性分子转向 介质类型：极性介质、离子弛豫性极 化的离子性介质
建立极化时间：需时较长，10-610-2 s
12
频率 f1f2f3
极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（有关）
21
22
23
J 0 t
24
空间电荷极化随温度升高而下降。 因为温度升高，离子运动加剧，离
子扩散容易，因而空间电荷减少。
空间电荷的建立需要较长的时
间，大约几秒到数十分钟，甚至数
十小时，因此空间电荷极化只对直 流和低频下的介电性质有影响。
25
4 电介质的介电常数
相对介电常数及其物理意义
离子键：强极性键，离子结构电介质 玻璃、陶瓷 共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子 非极性电介质 聚四氟乙烯、氮气 极性共价键（电负性不同），极性分子 极性电介质 环氧树脂、三氯联苯 弱极性电介质 聚苯乙烯 5 存在分子异构或支链
2 极化与电介质
Q0 平板真空电容器电容：C0 U
Q0 Q 插入固体电解质后电容： C U 电容量增大的原因在于电介质的极化现象， Q’ 对应电介质极化引起的束缚电荷
1E p
a 1Ea p
故插入聚乙烯板后空气间隙击穿
38
电介质极化应用实例二
对于同轴电缆，可采用多层介质，在 靠近内电极处采用介电常数大的好处 是什么？为什么？ 从介电常数的角度来分析油纸绝缘在 套管中是如何改善电场分布的。目前 固体绝缘的套管方兴未艾，你是如何 考虑材料的选择呢？
39
19
空间电荷极化常常发生在不均匀 介质中，在外电场的作用下，不 均匀电介质中的正负间隙的离子 分别向负、正极移动，引起电介 质内各点离子密度的变化，产生 电偶极矩，这种极化称为空间电 荷极化。在电极附近聚集的离子 电荷就是空间电荷（见图a) 。
20
实际上晶界、相界、晶格畸变 、杂质等缺陷区都可成为自由 电荷运动的障碍，在这些障碍 处，自由电荷积聚，也形成空 间电荷极化（见图b) 。由于空 间电荷积聚，可形成很多与外 电场方向相反的电场。
温度（温度较高时降低，低温段随 温度增加） 消耗能量：非弹性极化、有损
13
夹层介质界面极化
夹层介质界面极化概念： 当 t =0:
U1 C2 U 2 C1
G1 G2 C1 C2
U
当 t =∞:
U 1 G2 U 2 G1
A
G1 C1
P G2
B
C2 U
14
G1 G2
A
C1 C2 U
G1 C1
图中：
单位面积的电荷：
真空中： E0 / 0
极化电荷密度为：
+
-
+ +
- -
Vacuum
E0
E
E ( ) / 0 介质中： E0
e0E 0 = e0 er E
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
'
r
r 0
26
相对介电常数可以反映电介质的极化程度。
44
无极性分子
有极性分子
无外电场作用时，媒质对外不显电性
p
i 1
n
i
0
45
无极性分子
图2.2.14.x 电介质的极化
有极性分子
电介质在外电场E作用下发生极化，形成 有向排列的电偶极矩； 电介质内部(非均匀极化)和表面产生极化 电荷(束缚电荷)； 极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。
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
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
27
atmospheric 部分气体的相对介电常数（环境条件 20℃, 1atm） pressure=0.101325MPa
气体种类
氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气
3
第 1 节 电介质的极化及介电常数
电介质物质结构的基本形式 极 化 (polarization) 与 电 介 质
(dielectrics)
电介质极化的基本类型
电介质的介电常数 讨论极化的意义
4
1 电介质物质结构的基本形式
电介质的分类（根据化学结构）：分子 及各聚集态（气、液、固态）的性质和 它的键的形式密切有关（有极、无极、 铁电体、驻极体）
相对介电常数
1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
28
液体电介质的介电常数
非极性和弱极性电介质
如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r 数 值不大，在1.82.5范围内
r 和温度的关系相似单位体积中的分子
6
极化现象：电场中有电介质时，由于 电场的作用，形成净电偶极矩的现象， 并且在沿电场方向电介质的表面出现 束缚电荷。
+ + + + + + +
E0
-
-
-
-
-
-
-
极化前
极化后
7
用极化强度P来表征极化的强度，定义
为单位体积的电偶极矩，与外加电场 强度有关
极化强度P与介电常数 (=
0 r)的关系：
34
多层介质的合理配合
对于多层介质，在交流及冲击电压 下，各层场强分布与其r 成反比，要 注意选择r ，使各层介质的电场分布 较均匀，从而达到绝缘的合理应用
E1 2 E2 1
35
如果固体绝缘中存在气泡，由于气体的r是最 小的，所以气泡将承受较大的电场强度， 首先在气泡处发生电离，引起局部放电， 使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸 方式能改善电场分布 在电缆芯处使用r较大的材料，可减小电缆芯 处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而 提高整体的耐电强度
P 0 ( r 1) E
Q0 0 A C0 U d
Q0 Q A C U d
电磁场的极化分析
8
3 电介质极化基本类型
电介质的极化有五种基本形式： 电子位移极化
离子位移极化
转向极化
空间电荷极化 夹层介质界面极化（与空间电 荷极化属于同类电荷）
9
电子位移极化
r 较大，一般为 3~6 ， r 和 T 及 f
的关系和极性液体的相似
离子性电介质
如陶瓷，云母等，相对介电常数 r 一般在5~8左右
33
5 讨论极化的意义
选择绝缘
在实际选择绝缘时，除考虑电气强度 外，还应考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较 大电容量，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选 择r 较小的介质
R2 R3 t t t u= ln + ln E = 2pe1 R 1 2pe2 R 2 2per
36
电介质极化应用实例一
平行平板电极间距离为 2cm ，在电极上施加 55kV 的工频
电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为 1cm 的
为什么？并请计算插入聚乙烯板(poly ethylene) 前后的各 介质中的电场分布。
高电压技术
第3章 电介质的电气性能（1）
2
第3章
电介质的电气性能
电介质电气性能的划分
极化特性：介电常数ε
损耗特性：介损tgδ 电气传导特性：载流子移动、高场强下
的电气传导机理等，电导G 或电阻 R
电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、
电压--时间特性曲线（V–t ）等，击穿 电压UC 或击穿场强EC （critical）
谢谢!
接下一节！
40
温度对转向极化的影响
温度较高时
分子热运动加剧，极化减弱
温度过低
返回
液体、固体电介质，考虑分子间联系紧，极 化较为困难，极化在低温下先随温度的升高 而增加，以后当热运动变得较强烈时，极化 又随温度上升而较小
41
研究静电场中的电介质应从以下 两方面入手
a)电介质自身的变化：在（外）电场 的作用下，电介质极化。
聚乙烯板 (r=2.3) 时，问此时是否会发生间隙击穿现象？
37
解：
由
Dan Dpn
a Ea p E p
(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm
(2)插入后：Vp/Va= a / p，得 Va=2.3Vp V0=Vp+Va=3.3Vs Vp=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Ep=16.7 kV/cm Va=V0-Vp=55-16.7=38.3 (kV) Ea=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强
极化：电介质分子或原子的正负电荷 对外作用中心位移（位移极化）；电 介质每个分子或原子的等效电偶极子 沿外电场方向取向（取向极化、转向 极化）。
42
极化结果： 电介质内存在有规律分布的电
偶极子―电介质内存在（净） 面极化电荷（束缚）和体极化
电荷（束缚）（均匀极化极化
体电荷为零）。
43
b)电介质极化产生的极化电荷（束缚） 对原电场的影响 电介质极化产生的极化电荷（束缚）也 是产生电场的场源，这些极化电荷（束 缚）本身产生电场，从而影响原来的电 场。因此，电介质中的静电场是由自由 电荷（原电场）和极化电荷（束缚）共 同产生（激发）的，这是我们研究静电 场中电介质的关键。
P G2
B
C2 U G U 1 2 U 2 G1
U1 C2 当 t =0: U 2 C1
当 t =∞:
C2 G2 C1 G1
一般有
设 C1> C2，G1<G2，则在 t=0 时，U1<U2；
t，U1U2。
15
G1 G2 C1 C2
U
设 C1> C2，G1<G2，则在 t=0 时，U1<U2；t，U1U2。
固体电介质的介电常数
非极性和弱极性固体电介质
如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、 聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子式极 化，r 在2.02.7范围
r 与温度的关系相似于单位体积内
的分子数与温度的关系(密度与温度)
32
极性固体电介质
树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机 玻璃、聚氯乙烯和涤纶等
极化机理：电子偏离轨道
介质类型：所有介质
建立极化时间：极短，10-1410-15s
极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（无关）
温度（无关）
消耗能量：弹性极化、无损
10
离子位移极化
极化机理：正负离子位移
介质类型：离子性介质
建立极化时间：极短，10-12~10-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加）
极性电介质
如蓖麻油、氯化联苯等， r 数值在 26 范围内。还能用作绝缘介质
29
强极性电介质
如酒精、水等 , r>10 ，其电导 也很大，不能用做绝缘材料。 用作电容器浸渍剂时，可使电 容器的比电容增大，但通常损 耗都较大 电场的频率对极性液体电介质 介电常数r的影响很大！
介质的等值电容增大
17
极化机理：带电质点移动 介质类型：不均匀夹层介质中 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 消耗能量：非弹性极化、有损
18
空间电荷极化
极化机理：正、负自由离子或电子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 消耗能量：非弹性极化、有损
随时间 t 的增大，U1 逐渐增大而 U2 逐渐下降，即 C2 上一部分电荷要通过 G2 放掉，而 C1 要从电源再 吸收一部分电荷，这一部分电荷称为吸收电荷
电荷重新分配，在两层介质的交界 面处有积累电荷
16
电荷重新分配，在两层介质的交
界面处有积累电荷
夹层界面上电荷的堆积是通过介
质电导 G 完成的，放电时间常数 为=(C1+C2)／(G1+G2)，高压绝缘 介质的电导通常都很小，这种性 质的极化只有在低频时才有意义
30
介电常数同温度和频率的关系（氯化联苯）
根据转向极化的特点，对介电常数随温度及频 率变化的趋势作出解释 T不变
相对介电常数
6 f1 4 2 0 -30 -10 10 温度T (℃)
31
f 增大，r 减小 f 不变
f2 f3
T 升高，r 先增后减 粘度（分子间联系） 分子热运动
30
50
频率 f1f2f3
46
p P
极化电荷体密度
p P en
极化电荷面密度
根据电荷守恒原理，这两部分 极化电荷的总和
PdV ' P e dS ' 0 n
S'
V'
47
位移极化
极化 取向极化 极化（束缚）体电荷 和面电荷产生电场 影响原来的电场分布！
离子间结合力 离子密度
11
消耗能量：弹性极化、无损 (极微量->无损)
转向极化（偶极子弛豫极化）
极化机理：极性分子转向 介质类型：极性介质、离子弛豫性极 化的离子性介质
建立极化时间：需时较长，10-610-2 s
12
频率 f1f2f3
极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（有关）
21
22
23
J 0 t
24
空间电荷极化随温度升高而下降。 因为温度升高，离子运动加剧，离
子扩散容易，因而空间电荷减少。
空间电荷的建立需要较长的时
间，大约几秒到数十分钟，甚至数
十小时，因此空间电荷极化只对直 流和低频下的介电性质有影响。
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4 电介质的介电常数
相对介电常数及其物理意义
离子键：强极性键，离子结构电介质 玻璃、陶瓷 共价键：非极性共价键（电负性相同），非极性分子 非极性电介质 聚四氟乙烯、氮气 极性共价键（电负性不同），极性分子 极性电介质 环氧树脂、三氯联苯 弱极性电介质 聚苯乙烯 5 存在分子异构或支链
2 极化与电介质
Q0 平板真空电容器电容：C0 U
Q0 Q 插入固体电解质后电容： C U 电容量增大的原因在于电介质的极化现象， Q’ 对应电介质极化引起的束缚电荷
1E p
a 1Ea p
故插入聚乙烯板后空气间隙击穿
38
电介质极化应用实例二
对于同轴电缆，可采用多层介质，在 靠近内电极处采用介电常数大的好处 是什么？为什么？ 从介电常数的角度来分析油纸绝缘在 套管中是如何改善电场分布的。目前 固体绝缘的套管方兴未艾，你是如何 考虑材料的选择呢？
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19
空间电荷极化常常发生在不均匀 介质中，在外电场的作用下，不 均匀电介质中的正负间隙的离子 分别向负、正极移动，引起电介 质内各点离子密度的变化，产生 电偶极矩，这种极化称为空间电 荷极化。在电极附近聚集的离子 电荷就是空间电荷（见图a) 。
20
实际上晶界、相界、晶格畸变 、杂质等缺陷区都可成为自由 电荷运动的障碍，在这些障碍 处，自由电荷积聚，也形成空 间电荷极化（见图b) 。由于空 间电荷积聚，可形成很多与外 电场方向相反的电场。
温度（温度较高时降低，低温段随 温度增加） 消耗能量：非弹性极化、有损
13
夹层介质界面极化
夹层介质界面极化概念： 当 t =0:
U1 C2 U 2 C1
G1 G2 C1 C2
U
当 t =∞:
U 1 G2 U 2 G1
A
G1 C1
P G2
B
C2 U
14
G1 G2
A
C1 C2 U
G1 C1
图中：
单位面积的电荷：
真空中： E0 / 0
极化电荷密度为：
+
-
+ +
- -
Vacuum
E0
E
E ( ) / 0 介质中： E0
e0E 0 = e0 er E
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
'
r
r 0
26
相对介电常数可以反映电介质的极化程度。
44
无极性分子
有极性分子
无外电场作用时，媒质对外不显电性
p
i 1
n
i
0
45
无极性分子
图2.2.14.x 电介质的极化
有极性分子
电介质在外电场E作用下发生极化，形成 有向排列的电偶极矩； 电介质内部(非均匀极化)和表面产生极化 电荷(束缚电荷)； 极化电荷与自由电荷都是产生电场的源。
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
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
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atmospheric 部分气体的相对介电常数（环境条件 20℃, 1atm） pressure=0.101325MPa
气体种类
氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气
3
第 1 节 电介质的极化及介电常数
电介质物质结构的基本形式 极 化 (polarization) 与 电 介 质
(dielectrics)
电介质极化的基本类型
电介质的介电常数 讨论极化的意义
4
1 电介质物质结构的基本形式
电介质的分类（根据化学结构）：分子 及各聚集态（气、液、固态）的性质和 它的键的形式密切有关（有极、无极、 铁电体、驻极体）
相对介电常数
1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
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液体电介质的介电常数
非极性和弱极性电介质
如石油、苯、四氯化碳、硅油等，r 数 值不大，在1.82.5范围内
r 和温度的关系相似单位体积中的分子
6
极化现象：电场中有电介质时，由于 电场的作用，形成净电偶极矩的现象， 并且在沿电场方向电介质的表面出现 束缚电荷。
+ + + + + + +
E0
-
-
-
-
-
-
-
极化前
极化后
7
用极化强度P来表征极化的强度，定义
为单位体积的电偶极矩，与外加电场 强度有关
极化强度P与介电常数 (=
0 r)的关系：
34
多层介质的合理配合
对于多层介质，在交流及冲击电压 下，各层场强分布与其r 成反比，要 注意选择r ，使各层介质的电场分布 较均匀，从而达到绝缘的合理应用
E1 2 E2 1
35
如果固体绝缘中存在气泡，由于气体的r是最 小的，所以气泡将承受较大的电场强度， 首先在气泡处发生电离，引起局部放电， 使整体材料的绝缘能力降低。如采用油浸 方式能改善电场分布 在电缆芯处使用r较大的材料，可减小电缆芯 处场强，电缆中电场分布均匀一些，从而 提高整体的耐电强度
P 0 ( r 1) E
Q0 0 A C0 U d
Q0 Q A C U d
电磁场的极化分析
8
3 电介质极化基本类型
电介质的极化有五种基本形式： 电子位移极化
离子位移极化
转向极化
空间电荷极化 夹层介质界面极化（与空间电 荷极化属于同类电荷）
9
电子位移极化
r 较大，一般为 3~6 ， r 和 T 及 f
的关系和极性液体的相似
离子性电介质
如陶瓷，云母等，相对介电常数 r 一般在5~8左右
33
5 讨论极化的意义
选择绝缘
在实际选择绝缘时，除考虑电气强度 外，还应考虑介电常数r 对于电容器，若追求同体积条件有较 大电容量，要选择r 较大的介质 对于电缆，为减小电容电流，要选 择r 较小的介质
R2 R3 t t t u= ln + ln E = 2pe1 R 1 2pe2 R 2 2per
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电介质极化应用实例一
平行平板电极间距离为 2cm ，在电极上施加 55kV 的工频
电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为 1cm 的
为什么？并请计算插入聚乙烯板(poly ethylene) 前后的各 介质中的电场分布。
高电压技术
第3章 电介质的电气性能（1）
2
第3章
电介质的电气性能
电介质电气性能的划分
极化特性：介电常数ε
损耗特性：介损tgδ 电气传导特性：载流子移动、高场强下
的电气传导机理等，电导G 或电阻 R
电气击穿特性：包括击穿机理、劣化、
电压--时间特性曲线（V–t ）等，击穿 电压UC 或击穿场强EC （critical）
谢谢!
接下一节！
40
温度对转向极化的影响
温度较高时
分子热运动加剧，极化减弱
温度过低
返回
液体、固体电介质，考虑分子间联系紧，极 化较为困难，极化在低温下先随温度的升高 而增加，以后当热运动变得较强烈时，极化 又随温度上升而较小
41
研究静电场中的电介质应从以下 两方面入手
a)电介质自身的变化：在（外）电场 的作用下，电介质极化。
聚乙烯板 (r=2.3) 时，问此时是否会发生间隙击穿现象？
37
解：
由
Dan Dpn
a Ea p E p
(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5 kV/cm
(2)插入后：Vp/Va= a / p，得 Va=2.3Vp V0=Vp+Va=3.3Vs Vp=V0/3.3=55/3.3=16.7 (kV) Ep=16.7 kV/cm Va=V0-Vp=55-16.7=38.3 (kV) Ea=38.3 kV/cm>30 kV/cm的空气击穿场强
极化：电介质分子或原子的正负电荷 对外作用中心位移（位移极化）；电 介质每个分子或原子的等效电偶极子 沿外电场方向取向（取向极化、转向 极化）。
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极化结果： 电介质内存在有规律分布的电
偶极子―电介质内存在（净） 面极化电荷（束缚）和体极化
电荷（束缚）（均匀极化极化
体电荷为零）。
43
b)电介质极化产生的极化电荷（束缚） 对原电场的影响 电介质极化产生的极化电荷（束缚）也 是产生电场的场源，这些极化电荷（束 缚）本身产生电场，从而影响原来的电 场。因此，电介质中的静电场是由自由 电荷（原电场）和极化电荷（束缚）共 同产生（激发）的，这是我们研究静电 场中电介质的关键。
P G2
B
C2 U G U 1 2 U 2 G1
U1 C2 当 t =0: U 2 C1
当 t =∞:
C2 G2 C1 G1
一般有
设 C1> C2，G1<G2，则在 t=0 时，U1<U2；
t，U1U2。
15
G1 G2 C1 C2
U
设 C1> C2，G1<G2，则在 t=0 时，U1<U2；t，U1U2。
固体电介质的介电常数
非极性和弱极性固体电介质
如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、 聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等 电介质只有电子式极化和离子式极 化，r 在2.02.7范围
r 与温度的关系相似于单位体积内
的分子数与温度的关系(密度与温度)
32
极性固体电介质
树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机 玻璃、聚氯乙烯和涤纶等
极化机理：电子偏离轨道
介质类型：所有介质
建立极化时间：极短，10-1410-15s
极化程度影响因素：
电场强度（有关）
电源频率（无关）
温度（无关）
消耗能量：弹性极化、无损
10
离子位移极化
极化机理：正负离子位移
介质类型：离子性介质
建立极化时间：极短，10-12~10-13 s 极化程度影响因素： 电场强度（有关） 电源频率（无关） 温度（随温度升高而增加）