电介质及其介电特性基本介电现象.ppt
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1、电介质理论及其应用电介质理论及其应用关于电介质及其介电特性基本介电现象1现在学习的是第1页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用21.1.电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 电导、极化、损耗、击穿2.2.电介质的功能特性电介质的功能特性 电机械、电热、电光 电压敏、PTC主要内容:主要内容:电介质的基本介电现象电介质的基本介电现象现在学习的是第2页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用31.电介质在电场作用下的主要特性电介质:电介质:在电场作用下能建立极化的一切物质。在电场作用下能建立极化的一切物质。存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。存在较强电场并可
2、发生明显极化现象的材料。电力线能透过的物质(法拉第电力线能透过的物质(法拉第18391839年)。年)。电介质物理:电介质物理:是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科 学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现 象以及由此产生的各种效应。象以及由此产生的各种效应。主要特性:主要特性:电介质在电场作用下最主要的电特性是电介质在电场作用下最主要的电特性是极化极化和和电导电导,以及在此基础上产生的以及在此基础上产生的损耗损耗与与击穿击穿现象。现象。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性现在学习的是第3页
3、,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用4电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性IUR jEUIG vI特点:特点:在直流电压作用下有较在直流电压作用下有较稳定的电流通过。稳定的电流通过。表征:表征:用用电阻率电阻率v v或电导率或电导率来表征材料的电导特性。来表征材料的电导特性。现在学习的是第4页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用5SjI电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性LEU)(SLRv由此可得:由此可得:R电阻,单位为欧姆(电阻,单位为欧姆(););G电导,(电导,(S)v体电阻率,(体电阻率,(m););体电导率,(体电导率,(
4、S/m)U电压(电压(V););E电场强度(电场强度(V/m)V/m);j电流密度,电流密度,(A/m2)现在学习的是第5页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用6 电导特性是任何一种材料(无论导体、半导体、还是电电导特性是任何一种材料(无论导体、半导体、还是电介质)都具有的电学性质,并非电介质所特有。但不同材料介质)都具有的电学性质,并非电介质所特有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远:在电导率的大小上却相差很远:例如:一般导体例如:一般导体=109(S/m)绝缘性能良好的电介质绝缘性能良好的电介质=10-18(S/m)相差相差1027倍。倍。导电机理有明显区别,因此对电介质电导需
5、作专门导电机理有明显区别,因此对电介质电导需作专门的讨论。的讨论。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性为什么?为什么?现在学习的是第6页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用72 介质极化定义:定义:极化是电介质中束缚在分子内极化是电介质中束缚在分子内部或局部空间不能完全自由运动的电部或局部空间不能完全自由运动的电荷,在电场作用下产生局部的迁移而荷,在电场作用下产生局部的迁移而形成感应偶极矩的物理现象。形成感应偶极矩的物理现象。是电介质是电介质特有的性质。特有的性质。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性电介质:电介质:在电场作用下能产生极化现象的
6、材料。在电场作用下能产生极化现象的材料。表征:表征:单位体积电介质中形成的总感应电矩单位体积电介质中形成的总感应电矩极化强度。极化强度。在线性介质中:在线性介质中:EP0 x介质极化系数,介质极化系数,0真空介电常数,真空介电常数,8.85410-12F/m 现在学习的是第7页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用8电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 在工程技术中,通常采用比电容率(或相对介电常数)来作在工程技术中,通常采用比电容率(或相对介电常数)来作为介质极化的量度。为介质极化的量度。比电容率是以介质充入真空电容器后,此电容器的电容量(比电容率是以介质充入真空
7、电容器后,此电容器的电容量(C C)与原)与原真空电容器的电容量(真空电容器的电容量(C C0 0)之比来计量。)之比来计量。r相对介电常数,它与相对介电常数,它与 0的乘积的乘积,定义为,定义为介质的介电常数介质的介电常数由电工学可得:由电工学可得:0CCr0rEPEEDr00EPr01现在学习的是第8页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用9 体电阻率(体电阻率(v v)和相对介电常数()和相对介电常数(r r)是表征材料介电特)是表征材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是与电场强度无关的常性的最主要参数。它们在线性材料中是与电场强度无关的常数,当电场频率改变时也会改变;在非
8、线性材料以及在强电数,当电场频率改变时也会改变;在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度有关。场下则还与电场强度有关。因此:因此:r r 为为温度、电场频率、电场强度的函数;温度、电场频率、电场强度的函数;v v 则为温度、电场强度的函数。则为温度、电场强度的函数。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性现在学习的是第9页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用101.3 介质损耗 在交变电压下,由于极化,使介质中在交变电压下,由于极化,使介质中 存在电容电流和存在电容电流和电导电流。电导电流。对电容器而言:希望电容电流大,而引起损耗的电对电容器而言:希望电容电流大,而引
9、起损耗的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数导电流小。从而引入一个新的介质物理参数介质损介质损耗角正切耗角正切tantan。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性现在学习的是第10页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用11定义:定义:电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性crRCRPPCUUIII2tan 只有电导电流损耗时,只有电导电流损耗时,tantan 与与 成倒数关系。成倒数关系。极性介质的极性介质的tantan 与与 是有峰值的曲线关系,极性介质的是有峰值的曲线关系,极性介质的tantan 值比非极性介质的值比非极性介质的tantan
10、 值大;而且值大;而且tantan 随随 的变化呈非倒的变化呈非倒数式关系,这是由于介质极化滞后所形成的损耗而引起。数式关系,这是由于介质极化滞后所形成的损耗而引起。因此,研究介质损耗的重点就是研究介质极化因此,研究介质损耗的重点就是研究介质极化形成的动态过程中产生的损耗。形成的动态过程中产生的损耗。现在学习的是第11页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用12主要判据:主要判据:电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性dUdI0dIdU现在学习的是第12页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用13dUEBB在均匀电场下:如介质厚度在均匀电场下:如介质厚度d d
11、,介质击穿电压,介质击穿电压U UB B 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性E EB B 介质击穿场强,描述电介质耐电压特性的介质击穿场强,描述电介质耐电压特性的 重要物理参数,它与温度、电场形式有关。重要物理参数,它与温度、电场形式有关。现在学习的是第13页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用14q r r,v v,tantan 和和E EB B 作为描述绝缘介质基本特性的四作为描述绝缘介质基本特性的四大物理参数。大物理参数。q 研究四大参数与电介质材料的组成、结构、含杂等的研究四大参数与电介质材料的组成、结构、含杂等的关系,以及温度、压力、电场性质(频率、波
12、形等)的影关系,以及温度、压力、电场性质(频率、波形等)的影响。响。q 研究成果广泛用于工程领域研究成果广泛用于工程领域成为成为“电介质工程电介质工程”。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性现在学习的是第14页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用15电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 电容器的电储能密度电容器的电储能密度W与与 和和E2呈正比呈正比 提高储能密度可采用高提高储能密度可采用高和高和高E E的电介质材料的电介质材料 推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展 而提高介质的耐电强度则是作为电
13、介质绝缘材料的而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料的一个最主要的共性问题。一个最主要的共性问题。高功率脉冲电容储能技术高功率脉冲电容储能技术为为例:例:1,.,221itVVKKEW现在学习的是第15页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用16电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性涉及的科学与技术问题:涉及的科学与技术问题:高储能介质的介电性能高储能介质的介电性能极化、弛豫机理极化、弛豫机理 高耐电强度高耐电强度高介电常数介质的击穿特性高介电常数介质的击穿特性 结构优化结构优化提高电容器有效储能体积提高电容器有效储能体积 放电特性放电特性快速、大容量、消除电感快
14、速、大容量、消除电感 高可靠性高可靠性稳定性与寿命稳定性与寿命 性能评价性能评价测、试、分析技术测、试、分析技术现在学习的是第16页,共32页电介质理论及其应用电介质理论及其应用17电介质的功能特性电介质的功能特性2.2.电介质的功能特性电介质的功能特性q 电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外,在其电性和力学性能、电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外,在其电性和力学性能、热学性能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。热学性能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。q 如:介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、场致发光如:介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、场致发光效应和
15、电热效应等,反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的效应和电热效应等,反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的功能效应。功能效应。q 而:介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用下产生的热释而:介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用下产生的热释电效应、在光照下引起的光电效应、导电性突变的电效应、在光照下引起的光电效应、导电性突变的PTC效应等,则为相效应等,则为相反的功能转换特性。反的功能转换特性。q 这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象有关。因此,这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象有关。因此,对介质的介电和功能特性要有全面的了解。对介质的介电和功能特性要有全面
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- 电介质 及其 特性 基本 现象
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