第01章电介质的极化、电导和损耗.ppt

第1章 电介质的极化、电导和损耗 1.1 电介质的极化 1.2 电介质的介电常数 1.3 电介质的电导 1.4 电介质中的能量损耗 * 1.1 电介质的极化 1.2 电介质的介电常数 1.3 电介质的电导 1.4 电介质中的能量损耗 电介质极化有四种基本类型 电介质：在其中可建立稳定电场而几乎没有电流通过的物质。 极化：在外电场作用下，电介质内部产生宏观不为零的电偶极矩。 电子位移极化； 离子位移极化； 转向极化； 空间电荷极化。 1、电子位移极化： 电介质：一般由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕核的带负电电子构成。 感应电矩：没有外电场时，电子云中心与原子核重合，感应电矩为零，对外不显现极性。 感应电矩消失：外电场消失后，原子核与电子云的引力又使二者重合，感应电矩也随之消失。 电子位移极化：外加一个电场，原子核向外电场方向移动，而电子方向反方向移动，达到平衡后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。 E 电子位移极化特点： 时间：完成时间极短，约为10-14~10-15s； 能量损耗：电子位移极化不引起能量损耗； 温度：电子位移极化与温度无关，温度的变化只是 通过介质密度才影响到电子位移极化率。 频率：电子位移极化基本与频率无关。 2、离子位移极化： 由离子结合成的介质内，外电场的作用除了促使内部产生电子位移极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化，称为离子位移极化。 E 离子位移极化特点： 时间：完成时间短,约为10-12~10-13s ； 能量损耗：有极微量的能量损耗； 温度：随温度的升高而略有增大； 频率：极化与频率无关。 温度↑ →离子位移极化↑ →离子间作用力↓ 3、转向极化： 极性电介质：即使没有外加电场，由于分子中正负电荷的作用中心的不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为固有偶极矩。 由于分子的不规则热运动，使各分子偶极矩排列无序，对外不呈现合成电矩。 有外电场时，每个分子的固有偶极矩有转向电场方向的趋势，顺电场方向作定向排列，它在不同程度上达到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。 外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。 E 转向极化特点： 时间：完成时间较长，约为10-6~10-2s ； 能量损耗：有很小的能量损耗； 与频率、温度相关。 4、空间电荷极化（非弹性，与前三种有所区别）： 大多数绝缘结构中，电介质往往是层式结构，电介质也可能存在某种晶格缺陷。在电场的作用下，带电质点在电介质中移动时，可能被晶格缺陷捕获，或在两层介质界面上堆积，造成电荷在介质空间中新的分布，从而产生电矩，这种极化称为空间电荷极化。 空间电荷极化特点： 时间：缓慢； 能量损耗：有。 以最简单的双层介质为例： 设 开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容值大小决定。 为整个介电质的等值电容 与 分界面上堆积电荷数为 到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。 为整个介电质的等值电容 与 分界面上堆积电荷数为 各种极化方式的比较 有 10-2 s～数小时 自由电荷 在层间的堆积 多层介质的 交界面 空间电荷极化 小 10-6～10-2 s 固有偶极矩的 定向排列s 极性电介质 转向极化 几乎没有 10-13 s 离子的 相对偏移 离子式结构 电介质 离子位移极化 无 10-15 s 束缚电子 运行轨道偏移 任何电介质 电子位移极化 能量损耗 所需时间 产生原因 产生场合 极化种类 介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介质的极化程度（对电荷束缚的能力）。 介质中 真空中 电位移矢量 场强矢量 真空的介电常数 相对介电常数 1、气体电介质的相对介电常数： 相对介电常数大小：由于气体物质分子间的距离相对较大，气体的极化率就很小，故一切气体的相对介电常数都接近于1。 影响因素： 温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小； 压力：随压力的增大而增大。 但以上的影响程度都很小。 2、液体电介质的相对介电常数： ① 中性液体介质： 代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。 大小：不大，其值在1.8~2.8范围内。 ② 极性液体介质： 代表介质：蓖麻油、乙醇、水等。 大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。 影响因素： 温度： 温度↑→分子间黏附力↓→转向极化↑→介电常数↑ 温度过高→分子热运动↑→极性分子定向排列↓→转向极化↓→介电常数↓ 频率： 频率较低时→偶极分子来得及跟随电场交变转向→介电常数较大，接近直流情况下的 频率超过临界值→偶极分子转向跟不上电场的变化→介电常数开始减小→介电常数最终接近于仅由