21_电介质理论基础.ppt

第二章 电介质理论基础 主要内容 ： 2.0 电介质概述 2.1 电介质的极化 2.2 交变电场下的介质极化与损耗 2.3 电介质的电导与击穿 2.4 电介质材料的非电性能 第二章 电介质理论基础 电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。 电介质（dielectric） ：电阻率很大,导电性能很差的物质,可看作理想的绝缘体，无自由电荷。 电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚电荷。 电介质极化特点：内部场强一般不为零。 电介质能以感应而非传导的方式来传递磁场信息 电介质材料一般特性的基本知识: 恒定电场中电介质的极化过程，包括其介电常数、有效电场的概念、极化类型等；恒定电厂中电介质电导特性，包括电导现象、物理参数；交变场的介电损耗，以及强电场中的介电击穿等 2.0 电介质概述 电介质的分类： 按来源：天然介质和人造介质 按聚集状态：气态、液态和固态介质 按化学组成分：有机介质和无机介质 按电介质电性能分：极性介质和非极性介质 2.0 电介质概述 在外电场下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿等物理过程。 本章主要讨论在外电场下的几个基本特征，并对电介质的非电性能作简要介绍。 本章以各向同性、线性且均匀的电介质为例，分析他们在电场中的行为。 主要内容 ： 2.1 电介质的极化 2.2 交变电场下的介质极化与损耗 2.3 电介质的电导与击穿 2.4 电介质材料的非电性能 2.1 电介质的极化 主要内容 ： 2.1.1电介质的极化现象 2.1.2电介质的介电常数 2.1.3 极化强度和极化率 2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系 2.1.5 电介质极化的基本类型 2.1.6 实际电介质的极化及其介电常数(略) 2.1.1电介质的极化现象 2.1.1电介质的极化 2.1.1电介质的极化 2.1.2电介质的介电常数 2.1.2电介质的介电常数 复习前三节 电介质极化 无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、CO2) 微观：电偶极矩 p分子＝0，(l=0) 宏观：中性不带电 无极分子 有极分子 极化性质： 位移极化 取向极化 退极化场 点电荷 (1)电子式极化 电子式极化存在于一切电介质中，有两个特点： 完成极化需要的时间极短（10-15s）； 外场消失，整体恢复中性。 所以这种极化不产生能量损耗，不会使介质发热。 (二) 离子式极化 在出现外电场后，正、负离子将发生方向相反的偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极化。 离子式极化的特点： 1、离子相对位移有限，外电场消失后即恢复原状； 2、所需时间很短（10-13s），其 几乎与外电场频率无关。 温度对离子式极化的影响： 1、离子间的结合力会随温度的升高而减小，从而使极化程度增强； 2、离子的密度随温度的升高而减小，使极化程度减弱。通常前一种影响较大，故其εr一般具有正的温度系数。 (3)偶极子极化极性电介质：分子具有固有的电矩，即正、负电荷作用中心永不重合，由极性分子组成的电介质称为极性电介质。 极性分子不存在外电场时，极性分子的偶极子因热运动而杂乱无序的排列着，如图所示，宏观电矩等于零，因而整个介质对外并不表现出极性。 出现外电场后，原先排列杂乱的偶极子将沿电场方向转动，作较有规则的排列，如图所示，因而显示出极性。这种极化称为偶极子极化或转向极化。 偶极子极化与频率f 的关系： 偶极子极化是非弹性的，极化过程需要消耗一定的能量，极化所需的时间也较长，10－10～10－2s，所以极性电介质的 值与电源频率有较大关系。 频率太高时，偶极子将来不及转动，因而其 值变小，如图所示。其中 相当于直流电场下的相对介电常数，f f1 以后偶极子将越来越跟不上电场的交变， 值不断下降；当f ＝f2 时，偶极子已完全不跟着电场转动了，这时只存在电子式极化， 减小到 。 偶极子极化与温度t的关系： 温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负的温度系数。 对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转动比较困难，所以 很小。液体、固体介质的 在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得较强烈时，分子热运动阻碍极性分子沿电场取向，使极化减弱， 又开始随着温度的上升而减小。 (4)夹层极化 凡是由不同介电常数和电导率的多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导