电介质材料基础知识精选PPT.ppt

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1、关于电介质材料基础知识第1页，讲稿共41张，创作于星期二3-1-1 电电介介质质及其极化及其极化3-1-2 电电介介质质的介的介质损质损耗耗3-1-3 电电介介质质的的电导电导和和击击穿穿3-1 电电介介质质物理基物理基础础知知识识电介质材料的四个基本参数：电介质材料的四个基本参数：介介电电常数（常数（）、）、损损耗角正切（耗角正切（tan）、）、电导电导率（率（）、抗）、抗电电强强度（度（Ep）3-1-4 电电介介质质材料的非材料的非电电性能性能第2页，讲稿共41张，创作于星期二3-1-1 电介质及其极化室温下金属导体、半导体、电介质的电阻率分别为：室温下金属导体、半导体、电介质的电阻率分别

2、为：10-8 10-610-5 106108 1018导体导体半导体半导体电介质电介质2）在）在较较弱弱电场电场下具有下具有极化能力极化能力，并以，并以电电极化的方式极化的方式传递传递、存、存储储和和记录电记录电的作用与影响；的作用与影响；1）电电介介质质是是绝缘绝缘体，无自由体，无自由电电荷，只存在束荷，只存在束缚电缚电荷。荷。3）电电介介质质可作可作绝缘绝缘材料，材料，还还可用于制作可用于制作电电容器、容器、压电压电器件及介器件及介质质天天线线等等电电子元器件。子元器件。1.电电介介质质的定的定义义第3页，讲稿共41张，创作于星期二4）极性分子）极性分子电电介介质质和非极性分子和非极性分子

3、电电介介质质极性分子：极性分子：分子的正负电荷重心不重合。分子的正负电荷重心不重合。例如，例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OHH2O分子分子非极性分子：非极性分子：分子的正负电荷重心重合。分子的正负电荷重心重合。极性分子具有极性分子具有固有偶极矩，固有偶极矩，非极性分子的偶极矩为零。非极性分子的偶极矩为零。例如，例如，CO2、H2、N2、CH4、He 电偶极子电偶极子电偶极矩：电偶极矩：。第4页，讲稿共41张，创作于星期二2.电电介介质质的极化的极化l 在电介质中，原子、分子或离子的正负电荷以共价键或离子键的形式被强烈在电介质中，原子、分子或离子的正负电荷以共价键或离子键的形

4、式被强烈 的相互束缚着，这些束缚电荷在外电场的作用下分布发生变化，在电介质内的相互束缚着，这些束缚电荷在外电场的作用下分布发生变化，在电介质内 形成形成感应宏观偶极矩感应宏观偶极矩的过程，称为电介质的极化。的过程，称为电介质的极化。l 感应宏观偶极矩的形成：感应宏观偶极矩的形成：非极性介质非极性介质 在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移，在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移，正负电荷相对位移的方向相反正负电荷相对位移的方向相反，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质 整体来看，就形成了感应宏观偶极矩。整体来

5、看，就形成了感应宏观偶极矩。极性介质极性介质 组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有 固有偶极矩；在没有外电场时，固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和，偶极矩的矢量和 为零；有外电场时，为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零，偶极矩的矢量和不再为零，电介质对外表现出感应宏观偶极矩。电介质对外表现出感应宏观偶极矩。第5页，讲稿共41张，创作于星期二：外：外电场电场：退极化场：退极化场介质中的总场强：介

6、质中的总场强：l 由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质内形由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质内形 成与外电场方向相反的成与外电场方向相反的退极化场退极化场；介质的极化能力越强，退极化场越强。介质的极化能力越强，退极化场越强。极化使电介质表面出现感应束缚电荷极化使电介质表面出现感应束缚电荷第6页，讲稿共41张，创作于星期二2.1 介介电电常数（常数（）取取D/E比比值值来反映介来反映介质质的极化能力：的极化能力：电介质的介电常数；：电介质的介电常数；D：介：介质质中的中的电电位移，位移，仅仅与自由与自由电电荷的密度有关；荷的密度有关；E：介：介质质中的中

7、的总电场总电场强强度，与度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。介电常数是描述介质极化能力的一个重要物理参数！介电常数是描述介质极化能力的一个重要物理参数！第7页，讲稿共41张，创作于星期二：相对介电常数相对介电常数：真空介电常数：真空介电常数l 介介电电常数反映了介常数反映了介质质极化能力的大小极化能力的大小，介，介质质的介的介电电常数常数值值越大，极化能力越越大，极化能力越强强；l 电电容器介容器介质质的介的介电电常数越大，常数越大，电电容器存容器存储电储电荷的能力越荷的能力越强强。第8页，讲稿共41张，创作于星期二真空真空空气空气乙醇

8、乙醇水水石英石英玻璃玻璃石蜡石蜡1.000001.0005926.480.14.274.343.802.02.5氧化氧化铝铝 岩岩盐盐NaCl钛钛酸酸钙钙 金金红红石（石（TiO2）钛钛酸酸钡钡晶体晶体:11.2813.276.12130150晶体晶体:86170晶体晶体:1604500陶瓷陶瓷:80110陶瓷陶瓷:1700陶瓷陶瓷:9.511.2聚乙聚乙烯烯聚四氟乙聚四氟乙烯烯聚聚氯氯乙乙烯烯环环氧氧树树脂脂天然橡胶天然橡胶酚酚醛树醛树脂脂2.262.114.553.64.12.62.95.18.6常用电介质材料的相对介电常数常用电介质材料的相对介电常数第9页，讲稿共41张，创作于星期二2.

9、2 介介质质极化极化强强度和极化率度和极化率为了描述电介质在外场中的极化情况，引入为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量极化强度矢量 ，它等于单位体积内感生偶，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：极矩的矢量和：若介质中的电场是均匀的，则有：若介质中的电场是均匀的，则有：单单位位为为：C/m2若若单单位体位体积积中有中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为值为 ，则则有：有：对于线性极化，对于线性极化，与电场强度成正比，有：与电场强度成正比，有：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上

10、的局域电场，称为有效电场；：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数微观参数。第10页，讲稿共41张，创作于星期二2.3 电电介介质质极化的宏极化的宏观观参数和微参数和微观观参数的关系参数的关系平板型平板型电电容器的极片面容器的极片面积为积为S，极片，极片间间距距为为d，均匀，均匀极化极化时时，整个，整个电电介介质总质总的感的感应应偶极矩：偶极矩：Sd极化强度：极化强度：提高电介质的介电常数：提高电介质的介电常数：提高提高单单位体位体积积内的极化粒子数内的极化粒子数n0；选选取极化率取极化率 大的粒子大的粒子组组成成电电介介质质；增增强强作

11、用于极化粒子上的有效作用于极化粒子上的有效电场电场Ee。第11页，讲稿共41张，创作于星期二对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质，对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质，有效电场与外电场的关系为：有效电场与外电场的关系为：这样这样的有效的有效电场电场称称为为洛洛伦兹伦兹（Lorentz）有效）有效电场电场，将其代入，将其代入r公式：公式：称称为为克克 莫极化方程莫极化方程，是在采用洛，是在采用洛伦兹伦兹有效有效电场电场的情况下，的情况下，联联系系电电介介质质极化极化宏宏观观参数与微参数与微观观参数的关系式。参数的关系式。第12页，讲稿共41张，创作于星期二2.4

12、电电介介质质极化的极化的类类型型 电子位移极化、离子位移极化、电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化1）电电子位移极化子位移极化电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，粒子中的电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生位移电子云相对于原子核发生位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。电子云电子云原子核原子核电电子位移极化模型子位移极化模型图图+q-q第13页，讲稿共41张，创作于星期二l 电电子位移极化率与温度

13、无关：温度的高低不足以改子位移极化率与温度无关：温度的高低不足以改变变原子或离子的半径。原子或离子的半径。l 电电子位移极化建立的子位移极化建立的时间时间很短很短，约约在在10-14 10-16 s范范围围；如果所加；如果所加电场为电场为交交变变 电场电场，即使，即使电场频电场频率高达光率高达光频频，电电子位移极化也来得及响子位移极化也来得及响应应。l 电电子位移极化存在于一切介子位移极化存在于一切介质质中。中。l 电子位移极化产生的感应偶极矩：电子位移极化产生的感应偶极矩：为电子极化率：为电子极化率：电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径

14、 r 越大，电子离原子核越大，电子离原子核越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。（电子位移极化率的数量级为（电子位移极化率的数量级为10-40 F.m2（第14页，讲稿共41张，创作于星期二l 实验测实验测量得到的量得到的 值值并不并不严严格等于格等于 ，不同原子和离子，不同原子和离子 比比值值大小不一大小不一样样，值值大的原子或离子越容易大的原子或离子越容易发发生极化。生极化。（P10，表，表2-2）第15页，讲稿共41张，创作于星期二2）离子位移极化）离子位移极化+偶极矩矢量和为零；偶极矩矢量和为零；+感应偶极矩：感应偶极矩：为离子

15、位移极化率。为离子位移极化率。l 当离子位移为完全弹性位移时，可以得出：当离子位移为完全弹性位移时，可以得出：l 离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微；离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微；l 离子位移极化离子位移极化对对外外场场的的响响应时间应时间也也较较短短，约为约为10-12 10-13 s。（离子位移极化率的数量级为（离子位移极化率的数量级为10-40 F.m2（a为为晶格常数，晶体密堆晶格常数，晶体密堆积时积时 ）第16页，讲稿共41张，创作于星期二3）偶极子）偶极子转转向极化向极化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+在没

16、有外电场时，在没有外电场时，分子的热运动使偶极子作混乱排布分子的热运动使偶极子作混乱排布，分子固有偶极矩在空间个方向的取向几率相同，宏观分子固有偶极矩在空间个方向的取向几率相同，宏观偶极矩偶极矩 为零。为零。在电场作用下，在电场作用下，极性分子沿电场方向取向几率大于极性分子沿电场方向取向几率大于其它方向其它方向，形成宏观偶极矩。，形成宏观偶极矩。极性分子具有固有偶极矩极性分子具有固有偶极矩 ，可以把它们看成偶极子。，可以把它们看成偶极子。可以证明，偶极子转向极化率为：可以证明，偶极子转向极化率为：l 偶极子转向极化率随温度的升高而下降：温度升高，热运动的抗取向作用加剧；偶极子转向极化率随温度的

17、升高而下降：温度升高，热运动的抗取向作用加剧；l 偶极子偶极子转转向极化向极化对对外外电场电场的的响响应时间较长应时间较长，约为约为10-8 10-2 s。（偶极子转向极化率的数量级为（偶极子转向极化率的数量级为10-38 F.m2（第17页，讲稿共41张，创作于星期二4）离子松弛极化离子松弛极化玻璃态物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷区域，离子本身能量较高，玻璃态物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷区域，离子本身能量较高，容易受热激活，越过势垒，在不同的平衡位置之间跃迁，称为容易受热激活，越过势垒，在不同的平衡位置之间跃迁，称为弱束缚离子弱束缚离子。UxUxABU跃跃迁几率相同迁几

18、率相同AB沿沿电场电场方向迁移几率增加方向迁移几率增加+在电场作用下，沿电场方向产生过剩跃迁的离子，使电介质电荷分布不均，在电场作用下，沿电场方向产生过剩跃迁的离子，使电介质电荷分布不均，形成电偶极矩。形成电偶极矩。l 离子松弛极化率：离子松弛极化率：，与温度成反比；，与温度成反比；l 离子松弛极化离子松弛极化建立的建立的时间较时间较慢慢，约为约为10-2 s；l 离子松弛极化是非可逆的过程，且离子跃迁的距离可与晶格常数相比拟。离子松弛极化是非可逆的过程，且离子跃迁的距离可与晶格常数相比拟。第18页，讲稿共41张，创作于星期二5）空）空间电间电荷极化荷极化当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离

19、子和电子）时，在外电场作用下，当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下，载流子将移动，使介质有微小的漏导电流。载流子将移动，使介质有微小的漏导电流。+e+移动的载流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷处移动的载流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷处，形成空间电荷的局部，形成空间电荷的局部积累，使介质中电荷分布不均，从而产生电偶极矩，发生极化。积累，使介质中电荷分布不均，从而产生电偶极矩，发生极化。l 空间电荷极化与介质的电导密切相关；空间电荷极化与介质的电导密切相关；l 空间电荷极化建立的时间很长空间电荷极化建立的时间很长，在几分之一秒到几个小时范围内。，在几分之一秒到

20、几个小时范围内。第19页，讲稿共41张，创作于星期二6）自）自发发式极化式极化l 某些晶体具有特殊的结构，其某些晶体具有特殊的结构，其晶胞自身的正负电荷重心不重合晶胞自身的正负电荷重心不重合，即晶胞具有极性。，即晶胞具有极性。l 由于晶体结构的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐由于晶体结构的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐 级影响到相邻的晶胞，使它们的级影响到相邻的晶胞，使它们的固有偶极矩朝向相同的方向固有偶极矩朝向相同的方向。由于这种极化状。由于这种极化状 态是在外电场为零时自发建立的，称为自发极化。态是在外电场为零时自发建立的，称为自发极化。l 具

21、有相同极化方向的自发极化区域，称为电畴。没有外电场时，电畴空间取向平具有相同极化方向的自发极化区域，称为电畴。没有外电场时，电畴空间取向平 均，均，介质不显极性；有外电场时，电畴沿电场方向转向，显示强烈的极化效应。介质不显极性；有外电场时，电畴沿电场方向转向，显示强烈的极化效应。电畴电畴l 自发极化产生的自发极化产生的介电常数非常高介电常数非常高，且，且极化建立的时间很长极化建立的时间很长。第20页，讲稿共41张，创作于星期二7）请请思考下列介思考下列介质质中存在的极化中存在的极化类类型型 N2、H2、CO2非极性气体，只存在非极性气体，只存在电电子位移极化子位移极化 SO2、H2S、HCl极

22、性气体，存在极性气体，存在电电子位移极化和偶极子子位移极化和偶极子转转向极化向极化 苯、苯、CCl4、聚丙、聚丙烯烯、聚四氟乙、聚四氟乙烯烯 乙醇、聚氯乙烯乙醇、聚氯乙烯 离子晶体离子晶体非极性液体或固体，只存在非极性液体或固体，只存在电电子位移极化子位移极化极性液体或固体，存在极性液体或固体，存在电电子位移极化和偶极子子位移极化和偶极子转转向极化向极化存在存在电电子位移极化和离子位移极化；有的子位移极化和离子位移极化；有的还还存在离子松弛极化和存在离子松弛极化和自自发发极化（如极化（如BaTiO3）第21页，讲稿共41张，创作于星期二3-1-2 电介质的介质损耗l 电子位移极化和离子位移极化

23、电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟，建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟，在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为瞬时极化瞬时极化。偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化建立的时间较长，建立的时间较长，称为称为缓慢极化缓慢极化，也称弛豫极化。，也称弛豫极化。l 在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（s）。）。+瞬时极化与交变电场完全同步，瞬时极化与交变电场完全同步，

24、其极化强度与电场间没有相位差。其极化强度与电场间没有相位差。+缓慢极化需要经过一段时间才能达到缓慢极化需要经过一段时间才能达到相应电场下的最大极化值；相应电场下的最大极化值；缓慢极化强度与电场之间存在相位差。缓慢极化强度与电场之间存在相位差。第22页，讲稿共41张，创作于星期二l 随着交随着交变电场频变电场频率的不同，介率的不同，介质质的极化响的极化响应应分分3种情况：种情况：频频率很低：率很低：各种极化的建立跟得上各种极化的建立跟得上电场电场的的变变化，介化，介质质的极化响的极化响应应 同静同静电场电场情形；情形；频频率极高：率极高：弛豫极化完全来不及建立，不必考弛豫极化完全来不及建立，不必

25、考虑虑；瞬瞬时时极化仍同静极化仍同静电场电场情形；情形；介于中介于中间间：出出现现极化极化损损耗耗，介，介电电常数随常数随电场频电场频率率变变化。化。第23页，讲稿共41张，创作于星期二1.介介质损质损耗和复介耗和复介电电常数常数余弦交变电场：余弦交变电场：介质的位移电流密度：介质的位移电流密度：电场频电场频率很低率很低时时：极化跟得上极化跟得上电场电场的的变变化，化，电电位移位移D（）与）与电场电场E之之间间没有相位差：没有相位差：单位时间内单位体积消耗的能量：单位时间内单位体积消耗的能量：交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。1）极化）极化损损耗耗

26、第24页，讲稿共41张，创作于星期二电场频率较高时：电场频率较高时：余弦交变电场：余弦交变电场：某些某些类类型的极化不能完全跟上型的极化不能完全跟上电场电场的的变变化，化，电电位移位移D（）与与电场电场E之之间间出出现现相位差相位差 ：介质的位移电流密度：介质的位移电流密度：不导致介质中出现能量损耗：不导致介质中出现能量损耗：单位时间单位体积的介质中能量损耗：单位时间单位体积的介质中能量损耗：l 当极化滞后于交变电场变化时，介质中产生能量损耗，称为当极化滞后于交变电场变化时，介质中产生能量损耗，称为极化损耗极化损耗；l 极化损耗与电场频率极化损耗与电场频率 及及 有关，相角有关，相角 称为称为

27、电介质损耗角电介质损耗角。第25页，讲稿共41张，创作于星期二2）复介）复介电电常数常数用复数表示交变电场下的上述关系：用复数表示交变电场下的上述关系：复电场强度：复电场强度：或或复电位移：复电位移：当极化跟不上外电场的变化时，当极化跟不上外电场的变化时，与与 之间有之间有 角的相位差：角的相位差：根据介电常数的定义（根据介电常数的定义（），引入复相对介电常数，习惯称为），引入复相对介电常数，习惯称为复介电常数复介电常数：当电位移和电场强度同位相时：当电位移和电场强度同位相时：当电位移和电场强度有相位差时：当电位移和电场强度有相位差时：是实数；是实数；是复数；是复数；第26页，讲稿共41张，创

28、作于星期二介质的复位移电流密度：介质的复位移电流密度：的的实实数部分：数部分：的的实实数部分：数部分：复介电常数：复介电常数：没有能量损耗：无功电流密度没有能量损耗：无功电流密度产生能量损耗：有功电流密度产生能量损耗：有功电流密度单位时间单位体积极化损耗的能量为：单位时间单位体积极化损耗的能量为：在实际应用中，介质损耗常用在实际应用中，介质损耗常用 值来表示：值来表示：称为称为介质损耗角正切介质损耗角正切。（损耗因子）（损耗因子）第27页，讲稿共41张，创作于星期二2.德拜方程德拜方程由极化弛豫由极化弛豫过过程，德拜首先提出并建立了复介程，德拜首先提出并建立了复介电电常数与常数与频频率之率之间

29、间的关系，的关系，称称为为德拜方程：德拜方程：频率：频率 ，即静电场时的介电常数，称静态介电常数，即静电场时的介电常数，称静态介电常数：频率：频率 时的介电常数，称光频介电常数时的介电常数，称光频介电常数：弛豫：弛豫时间时间，极化，极化强强度降度降为为最大最大值值的的1/e时时所需要的所需要的时间时间第28页，讲稿共41张，创作于星期二2.1 复介复介电电常数的常数的频频率特性：率特性：随频率的增加而降低，从静态值：随频率的增加而降低，从静态值 降至光频值降至光频值 ；1）时时：，即静，即静电场电场下的情况；下的情况；2）时时：，即光，即光频频下的情况；下的情况；3）在在 之之间时间时：随频率

30、的增加出现极值，极值频率：随频率的增加出现极值，极值频率 。时：时：大致正比于大致正比于，；时：时：大致反比于大致反比于，；附近：附近：和和 发生剧烈变化，称为弥散区域。发生剧烈变化，称为弥散区域。第29页，讲稿共41张，创作于星期二2.2 的的频频率特性：率特性：随频率的增加出现极值，极值频率：随频率的增加出现极值，极值频率：O的频率特性与的频率特性与 类似：类似：时：大致与时：大致与 成正比；成正比；时：大致与时：大致与 成反比；成反比；时：通过极大值。时：通过极大值。第30页，讲稿共41张，创作于星期二3.介介电电常数与温度的关系常数与温度的关系l n0：温度升高，由于：温度升高，由于热

31、热膨膨胀胀，单单位体位体积积内的粒子数减少；内的粒子数减少；l ：电电子位移极化率与温度无关；子位移极化率与温度无关；离子位移极化：离子位移极化：T ，离子离子间间距膨距膨胀胀，a ，；偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向性增偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向性增强强，极化率下降；，极化率下降；自自发发极化：与相极化：与相变变和晶体和晶体结结构等因素有关；构等因素有关；l Ee：气体、非极性介：气体、非极性介质质、高度、高度对对称和完全无序介称和完全无序介质质 洛洛伦兹伦兹有效有效电场电场；在离子晶体中，与离子种在离子晶体中，与离子种类类、晶体、晶体结结构等有关。构等有关

32、。宏宏观观介介电电常数与微常数与微观观参数：介参数：介质单质单位体位体积积中的极化粒子数、中的极化粒子数、粒子的极化率及有效粒子的极化率及有效电场电场有关，考察有关，考察 随温度的随温度的变变化关系，化关系，只需研究只需研究n0、和、和 Ee 随温度的随温度的变变化关系化关系。第31页，讲稿共41张，创作于星期二4.计计及漏及漏导电导电流流时时的介的介质损质损耗耗l 任何介质都不是理想的绝缘体，在加上交变电场后，除极化损耗外，任何介质都不是理想的绝缘体，在加上交变电场后，除极化损耗外，还有漏导电流产生，电流做功，以热的形式散发出来，形成介质损还有漏导电流产生，电流做功，以热的形式散发出来，形成

33、介质损 耗的一部分，称为耗的一部分，称为漏导损耗漏导损耗，也称，也称电导损耗电导损耗。l 介质损耗：介质损耗：极化引起的损耗角正切；：极化引起的损耗角正切；：电导引起的损耗角正切；：电导引起的损耗角正切；(为为介介质质的的电导电导率率)第32页，讲稿共41张，创作于星期二：，只有电导电流引起的损耗：，只有电导电流引起的损耗：1）l 与频率的关系：与频率的关系：3）随着）随着频频率的升高，极化率的升高，极化损损耗开始起作用，出耗开始起作用，出现损现损耗峰耗峰值值；2）频率很低时：频率很低时：可忽略不计；损耗主要由电导引起：可忽略不计；损耗主要由电导引起：4）频率极高时：频率极高时：1）2）3）4

34、）O第33页，讲稿共41张，创作于星期二l 与电导率与电导率 的关系：的关系：当电介质的电导增加时，漏导损耗的比例就相应增加；当电介质的电导增加时，漏导损耗的比例就相应增加；1）很小很小时时：明：明显显的极化的极化损损耗特征；耗特征；2）逐逐渐渐增大增大时时：极化：极化损损耗极大耗极大值值逐逐渐变渐变得不明得不明显显；3）很大很大时时：极大：极大值值完全被淹没，完全被淹没，随随频频率增加迅速下降，率增加迅速下降，表表现现出明出明显显的的电导损电导损耗特征。耗特征。12345O第34页，讲稿共41张，创作于星期二电导率电导率 与温度的关系：与温度的关系：低温区：极化损耗为主；低温区：极化损耗为主

35、；高温区：漏导损耗呈指数急剧上升。高温区：漏导损耗呈指数急剧上升。OT极化损耗极化损耗漏漏导导损损耗耗l 与温度的关系：与温度的关系：OT12345 与温度的关系，随着与温度的关系，随着 的增加，的增加，极化损耗也逐渐被电导损耗覆盖。极化损耗也逐渐被电导损耗覆盖。第35页，讲稿共41张，创作于星期二1.电电介介质质的的电导电导3-1-3 电介质的电导和击穿l 实际电介质中或多或少地存在着一定量的自由带电粒子，在不高的外电场下，实际电介质中或多或少地存在着一定量的自由带电粒子，在不高的外电场下，这些载流子定向迁移，形成很小的电流，称为这些载流子定向迁移，形成很小的电流，称为漏导电流漏导电流。l

36、若若电电介介质质中正中正负载负载流子的流子的浓浓度相同，均度相同，均为为n，每个，每个载载流子的流子的带电带电量量为为q，则则 介介质质中的中的电电流密度流密度为为：欧姆定律：欧姆定律：（为电介质的为电介质的电导率电导率）单单位位截截面面 电导率和电阻率直接表征了介质绝缘性能的优劣；电导率和电阻率直接表征了介质绝缘性能的优劣；电场不高时，电导率与电场无关；电场不高时，电导率与电场无关；提高介质的绝缘性：提高介质的绝缘性：减少载流子数；减少载流子数；降低迁移率。降低迁移率。l 正负载流子的迁移速率与外电场强度成正比：正负载流子的迁移速率与外电场强度成正比：（和和 为迁移率）为迁移率）；+q第36

37、页，讲稿共41张，创作于星期二2.电电介介质质的的击击穿穿l 当当电场电场强强度相当高度相当高时时，电导电导率随率随 E 升高迅速增加；若升高迅速增加；若电场继续电场继续升高，介升高，介质质的的 电导电导将突然急将突然急剧剧增加，增加，电电介介质质的的绝缘绝缘性被破坏，几乎性被破坏，几乎变变成成导导体，称体，称为为电击电击穿穿；l 发发生生电击电击穿穿时时的的临临界界电压电压称称为击为击穿穿电压电压；相；相应应的的临临界界电场电场强强度称度称为为抗抗电电强强度（度（Ep）。抗电强度表征了电介质承受电场作用能力的高低。抗电强度有时也称抗电强度表征了电介质承受电场作用能力的高低。抗电强度有时也称击

38、穿强度击穿强度。l 击穿的主要形式：击穿的主要形式：电击穿电击穿电介质的结构直接被电场力所破坏；电介质的结构直接被电场力所破坏；热击穿热击穿由于电介质材料的介质损耗导致电介质发热而被破坏；由于电介质材料的介质损耗导致电介质发热而被破坏；电化学击穿电化学击穿由于外加电压的作用，致使电介质内部发生化学变化而引起击穿。由于外加电压的作用，致使电介质内部发生化学变化而引起击穿。第37页，讲稿共41张，创作于星期二3-1-4 电介质材料的非电性能1.热稳热稳定性定性介电常数温度系数：介电常数温度系数：l 热稳定性：在温度变化时，电介质材料的电参数和其他物理量的稳定程度，热稳定性：在温度变化时，电介质材料

39、的电参数和其他物理量的稳定程度，以及长期在高温下工作和温度反复冷热循环变化的情况下，电介质材料不改变以及长期在高温下工作和温度反复冷热循环变化的情况下，电介质材料不改变 其介电、机械及物理化学性能的能力，又称温度稳定性。其介电、机械及物理化学性能的能力，又称温度稳定性。l 温度系数：温度每变化一度时，电介质材料的物理参量的相对变化率；温度系数：温度每变化一度时，电介质材料的物理参量的相对变化率；l 温度系数在温度系数在10-7 10-6/的材料，被的材料，被认为认为是高是高稳稳定性的。定性的。线膨胀系数：线膨胀系数：温度每改变温度每改变1时，其长度的变化和它在时，其长度的变化和它在0时长度之比

40、；时长度之比；第38页，讲稿共41张，创作于星期二2.耐耐电电弧性弧性3.耐耐电晕电晕性性电介质材料的耐寒性、导热性、化学性能、吸水性、机械性能和抗生物性能等电介质材料的耐寒性、导热性、化学性能、吸水性、机械性能和抗生物性能等非电性能在电介质材料的使用过程中也会起到相当重要的作用。非电性能在电介质材料的使用过程中也会起到相当重要的作用。l 电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体，电弧是由于电场过强，气体发生电崩溃而持续形成等离子体，使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）的现象。使得电流通过了通常状态下的绝缘介质（例如空气）的现象。l 耐电弧性用来评价耐电弧性用来评价绝缘材

41、料经受电弧作用后的绝缘性能绝缘材料经受电弧作用后的绝缘性能。l 材料在材料在电晕电晕放放电电电电流（流（约约10-910-6A）作用下）作用下缓缓慢破坏，原因在于慢破坏，原因在于 电晕电晕放放电产电产生的氧原子、氧离子及氧化氮等生的氧原子、氧离子及氧化氮等对对材料材料进进行氧化。行氧化。l 电晕放电是电晕放电是高压带电体附近产生空气的局部放电高压带电体附近产生空气的局部放电。l 耐电晕性：耐电晕性：绝缘材料经受电晕放电作用能够抵抗质量下降的性质绝缘材料经受电晕放电作用能够抵抗质量下降的性质。第39页，讲稿共41张，创作于星期二作作 业业 1.什么叫什么叫电电介介质质？什么是介？什么是介质质的极

42、化？的极化？2.简简述介述介电电常数的物理意常数的物理意义义。3.表征表征电电介介质质极化性极化性质质的宏的宏观观参数参数r与微与微观观参数参数间间的关系怎的关系怎样样?如何提高材料的如何提高材料的4.介介电电常数常数值值？4.介介质质的极化有哪几种常的极化有哪几种常见见的形式？的形式？5.什么是瞬什么是瞬时时极化？什么是极化？什么是缓缓慢极化？在交慢极化？在交变电场变电场的的频频率率变动过变动过程中，各种极化程中，各种极化6.机制如何响机制如何响应应？6.求德拜方程中求德拜方程中 r 的峰的峰值频值频率和峰率和峰值值的大小。的大小。7.简简析在一定温度下，析在一定温度下，r、r及及tan与与频频率的关系。率的关系。第40页，讲稿共41张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第41页，讲稿共41张，创作于星期二