固體電介質(zhì)極化與損耗

1、3.1 固體電介質(zhì)的極化與損耗3.1.1 固體電介質(zhì)的介電常數(shù)3.1.2 固體電介質(zhì)的損耗返回 電介質(zhì)的介電常數(shù)也稱為電容率，是描述電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)。電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱可用介電常數(shù)的大小來表示，它與該介質(zhì)分子的極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。 3.1.1 固體電介質(zhì)的介電常數(shù) 電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為EDr0 式中，D、E分別為電介質(zhì)中電通量密度、宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度。(3-1)平板電容器的介電常數(shù)圖3-1 平板電容器中的電荷和電場(chǎng)分布(a)真空 (b)充以介質(zhì)00E 電荷面密度0極板間真空中的電場(chǎng)強(qiáng)度(3-2)視頻鏈接真空電容器的電容量為USC00 當(dāng)極板間充以均勻各向同性的電介

2、質(zhì)時(shí)（見圖3-1 (b)），在電場(chǎng)作用下電介質(zhì)產(chǎn)生極化，極板上自由電荷面密度應(yīng)為 0(3-3)(3-4) 充以電介質(zhì)后電容器的電容量為USUSC)(0 顯然，極板間充以電介質(zhì)后，由于電介質(zhì)的極化使電容器的電容量比真空時(shí)增加了，因此，可以用充以介質(zhì)后電容量的變化來描述電介質(zhì)極化的性能。(3-5) 電容器充以某電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)電容量C0的比值為該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即 是一個(gè)相對(duì)的量，叫做相對(duì)介電常數(shù)，是大于1的常數(shù)。00CCrr(3-6) 根據(jù)電介質(zhì)極化強(qiáng)度P的定義，當(dāng)電介質(zhì)中每個(gè)分子在電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩為 時(shí)，則有NP 式中，N電介質(zhì)單位體積中的分子數(shù)。 若作用于分子的有效電場(chǎng)強(qiáng)度

3、為 ，則分子的感應(yīng)偶極矩可以認(rèn)為與 成正比，即iEiEiE 式中，比例常數(shù) 稱為分子極化率，在SI單位制中的單位為 。(3-8)(3-9)2Fm 于是根據(jù)式（3-8）和式（3-9），可得電介質(zhì)極化的宏、微觀參數(shù)的關(guān)系為irENEP) 1(0 亦可寫成EENir01 上式建立了電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù) 與分子微觀參數(shù) 的關(guān)系。一般來說，作用于分子上的電場(chǎng)強(qiáng)度 不等于介質(zhì)中的宏觀平均電場(chǎng)強(qiáng)度E，稱Ei為電介質(zhì)的有效電場(chǎng)或內(nèi)電場(chǎng)。式（3-11）又稱為克勞休斯（Clausius）方程。r),(iEN(3-10)(3-11)1. 非極性固體電介質(zhì) 這類介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，按其物質(zhì)結(jié)構(gòu)只能發(fā)生電子位移極化，其

4、極化率為 。e 如不考慮聚合物微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性（高分子聚合物中晶態(tài)和非晶態(tài)并存）和晶體介質(zhì)介電常數(shù)的各向異性，非極性固體介質(zhì)的有效電場(chǎng) （莫索締有效電場(chǎng)），介電常數(shù)與極化率的關(guān)系符合克莫方程。3/)2(EEi2. 極性固體電介質(zhì) 極性固體電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，除了發(fā)生電子位移極化外，還有極性分子的轉(zhuǎn)向極化。由于轉(zhuǎn)向極化的貢獻(xiàn)，使介電常數(shù)明顯地與溫度有關(guān)。返回返回3.1.2 固體電介質(zhì)的損耗 在電場(chǎng)作用下沒有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的，實(shí)際電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱為介質(zhì)損耗。 在電場(chǎng)作用下沒有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的，實(shí)際電介質(zhì)中總有

5、一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱為介質(zhì)損耗。圖3-2 介質(zhì)損耗角示意圖 絕緣材料的介質(zhì)損耗角正切就是損耗角的正切值，可直接用tan表示。絕緣材料的損耗角是在其上的外施電壓與由此產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。 它是由介質(zhì)電導(dǎo)以及介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)所引起的。如圖3-2所示2根據(jù)電流電壓的相量關(guān)系，可得到復(fù)介電常數(shù) 。r rtanrr 絕緣材料的損耗指數(shù) 等于該材料的tan 與相對(duì)介電常數(shù) 的乘積，即*rrrrj *rrrr tan由上述關(guān)系得(3-15)(3-13)(3-14)1. 固體無機(jī)電介質(zhì) 普通的無機(jī)晶體介質(zhì)，如氯化鈉(NaCl)、石英和云母等，它們只有位

6、移極化，其介質(zhì)損耗主要來源于電導(dǎo)，tan與直流電導(dǎo)率 的關(guān)系為（1）無機(jī)晶體rrff1108 . 1108 . 1tan1010 (3-16)（2）無機(jī)玻璃 玻璃的介質(zhì)損耗可以認(rèn)為主要由三部分組成：電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗。 它們與溫度的關(guān)系如圖3-3所示。結(jié)構(gòu)損耗與玻璃結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)，結(jié)構(gòu)愈松，結(jié)構(gòu)損耗一般愈大。圖3-3 玻璃tan與溫度的關(guān)系1-電導(dǎo)損耗 2-松弛損耗 3-結(jié)構(gòu)損耗 4-總介質(zhì)損耗（3）陶瓷介質(zhì) 陶瓷可以分為含有玻璃相和幾乎不含玻璃相兩類，第一類陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的結(jié)構(gòu)，其介質(zhì)損耗主要由三部分組成：玻璃相中離子電導(dǎo)損耗、結(jié)構(gòu)較松的多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)引起的松弛損

7、耗以及氣隙中含水引起的界面附加損耗，tan相當(dāng)大。 第二類是由大量的微晶晶粒所組成，僅含有極少量或不含玻璃相，通常結(jié)晶相結(jié)構(gòu)緊密，tan 比第一類陶瓷小得多。2. 固體有機(jī)電介質(zhì) 非極性有機(jī)介質(zhì)，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蠟、地蠟等。它們既沒有弱聯(lián)系離子，也不含極性基團(tuán)，因此在外電場(chǎng)作用下只有電子位移極化，其介質(zhì)損耗主要是由雜質(zhì)電導(dǎo)引起的。這類介質(zhì)的電導(dǎo)率一般很小，所以相應(yīng)的tan值也很小，被廣泛用作工頻和高頻絕緣材料。 極性有機(jī)介質(zhì)，如含有極性基的有機(jī)介質(zhì)及天然纖維等，它們的分子量一般較大，分子間相互聯(lián)系的阻礙作用較強(qiáng)，因此除非在高溫之下，整個(gè)極性分子的轉(zhuǎn)向難以建立，轉(zhuǎn)向極化只可能由極性基團(tuán)的定向所引起。 這類極性有機(jī)介質(zhì)的損耗，主要決定于極性基的松弛損耗，因而在高頻下的損耗也很大，不能作為高頻介質(zhì)應(yīng)用。小 結(jié)返回返回(本節(jié)完)非極性固體電介質(zhì)只能發(fā)生電子位移極化