第01章-电介质的极化、电导和损耗..ppt

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1、第第1章章 电介质的极化、电导和损耗电介质的极化、电导和损耗1.1 电介质的极化电介质的极化1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数1.3 电介质的电导电介质的电导1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗1.1 电介质的极化电介质的极化电介质极化有四种基本类型电介质极化有四种基本类型电电介介质质：在在其其中中可可建建立立稳稳定定电电场场而而几几乎乎没没有有电电流流通通过过的的物质。物质。极极化化：在在外外电电场场作作用用下下，电电介介质质内内部部产产生生宏宏观观不不为为零零的的电偶极矩。电偶极矩。电子位移极化；电子位移极化；离子位移极化；离子位移极化；转向极化；转向极化；空间电荷极化。空间

2、电荷极化。1、电子位移极化：、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。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：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。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电子位移极化：外

3、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，这个过程叫电子后，感应力矩也稳定，这个过程叫电子位移极化。位移极化。E电子位移极化特点：电子位移极化特点：时间：完成时间极短，约为时间：完成时间极短，约为10-1410-15s；能量损耗：电子位移极化不引起能量损耗；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。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。频率：电子位移极化基本与频率无

4、关。2、离子位移极化：、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。形成的极化，称为离子位移极化。E离子位移极化特点：离子位移极化特点：时间：完成时间短时间：完成时间短,约为约为10-1210-13s；能量损耗：有极微量的能量损耗；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；温度：随温度的升高而略有增大；频率：极化与频率无关。频率：极化与频率无关。温度温度离子位移极化离子位移极化离子间作用力离子间

5、作用力3、转向极化：、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，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。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。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

6、宏观电矩，这就是极性分子的转向极到平衡，对外呈现宏观电矩，这就是极性分子的转向极化。化。外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向极化也随之消失。的转向极化也随之消失。E转向极化特点：转向极化特点：时间：完成时间较长，约为时间：完成时间较长，约为10-610-2s；能量损耗：有很小的能量损耗；能量损耗：有很小的能量损耗；与频率、温度相关。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）：、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

7、某种晶格缺陷。在电场的作用下，带电质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。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：空间电荷极化特点：时间：缓慢；时间：缓慢；能量损耗：有。能量损耗：有。以最简单的双层介质为例：以最简单的双层介质为例：设设开关闭合初瞬间电导上电流为零，电压分布由电容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。值大小决

8、定。为整个介电质的等值电容为整个介电质的等值电容与与 分界面上堆积电荷数为分界面上堆积电荷数为到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大到达稳态时，电容上电流为零，电压分布由电导大小决定。小决定。为整个介电质的等值电容为整个介电质的等值电容与与 分界面上堆积电荷数为分界面上堆积电荷数为各种极化方式的比较各种极化方式的比较极化种类极化种类产生场合产生场合产生原因产生原因所需时间所需时间能量损耗能量损耗电子位移极化电子位移极化任何电介质任何电介质束缚电子束缚电子运行轨道偏移运行轨道偏移10-15 s无无离子位移极化离子位移极化离子式结构离子式结构电介质电介质离子的离子的相对偏移相对偏移10-13

9、 s几乎没有几乎没有转向极化转向极化极性电介质极性电介质固有偶极矩的固有偶极矩的定向排列定向排列s10-610-2 s小小空间电荷极化空间电荷极化多层介质的多层介质的交界面交界面自由电荷自由电荷在层间的堆积在层间的堆积10-2 s数小时数小时有有1.2 电介质的介电常数电介质的介电常数介电常数：用来衡量绝缘体储存电能的能力，代表电介介电常数：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）。质的极化程度（对电荷束缚的能力）。介质中介质中真空中真空中电位移矢量电位移矢量场强矢量场强矢量真空的介电常数真空的介电常数相对介电常数相对介电常数1、气体电介质的相对介电常数：、气体电

10、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气体的相对介电常数都接近于1。影响因素：影响因素：温度：气体的相对介电常数随温度的升高而减小；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。压力：随压力的增大而增大。但以上的影响程度都很小。但以上的影响程度都很小。2、液体电介质的相对介电常数：、液体电介质的相对介电常数：中性液体介质：中性液体介质：代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等。代表介质：石油、苯、四氧化碳、硅油等

11、。大小：不大，其值在大小：不大，其值在1.82.8范围内。范围内。极性液体介质：极性液体介质：代表介质：蓖麻油、乙醇、水等。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。大小：具有较大介电常数，高压绝缘一般不用。影响因素：影响因素：温度：温度：温度温度分子间黏附力分子间黏附力转向极化转向极化介电常数介电常数温度过高温度过高分子热运动分子热运动极性分子定向排列极性分子定向排列转向转向极化极化介电常数介电常数 频率：频率：频率较低时频率较低时偶极分子来得及跟随电场交变转向偶极分子来得及跟随电场交变转向介电介电常数较大，接近直流情况下的常数较大，接近直流情况下的频频率超率超

12、过临过临界界值值偶极分子偶极分子转转向跟不上向跟不上电场电场的的变变化化介介电电常数开始减小常数开始减小介介电电常数最常数最终终接近于接近于仅仅由由电电子位移极子位移极化引起的介化引起的介电电常数常数值值3、固体电介质的相对介电常数：、固体电介质的相对介电常数：中性液体介质：中性液体介质：代表介质：石蜡、硫磺等。代表介质：石蜡、硫磺等。大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。大小：只有电子式极化和离子式极化，介电常数较小。极性液体介质：极性液体介质：代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。代表介质：树脂、纤维、橡胶、有机玻璃等。大小：相对介电常数都比较大，一般为大小：相对介电常数都比较

13、大，一般为36。4、电介质介电常数的应用：、电介质介电常数的应用：导线绝缘：采用介电常数小的电介质；导线绝缘：采用介电常数小的电介质；电容器：采用介电常数大的电介质。电容器：采用介电常数大的电介质。1.3 电介质的电导电介质的电导任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的任何电介质都不是理想的绝缘体，它们总是少量的带电质点存在，在电场作用下，带电质点作有方向的运带电质点存在，在电场作用下，带电质点作有方向的运动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征动构成电流。因而任何电介质都具有一定的电导，表征电导大小的物理量是电导率电导大小的物理量是电导率 （或电阻率（或电阻率 ）。）。电介质的电

14、导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。电介质的电导与金属的电导有本质上的区别。金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。金属电导是由金属中固有存在的自由电子造成的。电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。电介质的电导：带电质点在电场作用下移动造成的。由电离出来的自由电子、正离子和负离子在电由电离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动而造成的。场作用下移动而造成的。分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向分子发生化学分解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。移动而造成的。分子发生热离解形成的带电质点沿电场方向

15、移分子发生热离解形成的带电质点沿电场方向移动而造成的。动而造成的。气体：气体：液体：液体：固体：固体：1、气体电介质的电导：、气体电介质的电导：电流密度电流密度区：区：进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流进一步增大时，离子移动接近于饱和，即电流密度趋于饱和，但其值仍然很微小。此区域电导密度趋于饱和，但其值仍然很微小。此区域电导也是很小的，称为饱和区。也是很小的，称为饱和区。区：气体中即使没有电场也区：气体中即使没有电场也有一定离子浓度，存在有一定离子浓度，存在电场时，离子加速，形电场时，离子加速，形成很小的电流密度，此成很小的电流密度，此时电导很小。因近似有时电导很小。因近似有，故称为线性

16、区。，故称为线性区。区：气体发生撞击电离，使区：气体发生撞击电离，使 迅速增大，电导迅速增迅速增大，电导迅速增大。当大。当 时，气隙被击穿，故称为击穿区。时，气隙被击穿，故称为击穿区。2、液体电介质的电导：、液体电介质的电导：中性液体介质：中性液体介质：中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由中性液体介质本身分子的离解很微弱，电导主要由杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子引起，电导较小。杂质和悬浮于液体介质中的荷电粒子引起，电导较小。极性液体介质：极性液体介质：极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且与本身极性液体杂质的电导不仅由杂质引起，而且与本身分子的离解度有关。分子的离解度有关。强极性液体

17、介质（如水、酒精等），即使高度净化，强极性液体介质（如水、酒精等），即使高度净化，电导率还是很大，以至于其不能看作电介质，而是离子电导率还是很大，以至于其不能看作电介质，而是离子式导电液。式导电液。影响因素：影响因素：温度：温度：电导率与温度的关系：电导率与温度的关系：电场强度：电场强度：温度温度液体介质黏度液体介质黏度离子迁移率离子迁移率 电导电导温度温度介质分子热离解度介质分子热离解度 电导电导电流密度和电场强度的关系与气电流密度和电场强度的关系与气体介质类似，但饱和过程一般观察不体介质类似，但饱和过程一般观察不到。到。3、固体电介质的电导：、固体电介质的电导：中性固体介质：中性固体介质：

18、电导主要由杂质引起，电导较小。电导主要由杂质引起，电导较小。离子式结构的固体介质：离子式结构的固体介质：电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产电导主要由离子在热运动影响下脱离晶格而移动产生的。生的。影响因素：影响因素：温度：类似于液体电介质。温度：类似于液体电介质。电场强度：类似于液体电介质。电场强度：类似于液体电介质。杂质：杂质对电导率的影响很大。杂质：杂质对电导率的影响很大。固体介质除体积电导外，还存在表面电导。固体介质除体积电导外，还存在表面电导。1.4 电介质中的能量损耗电介质中的能量损耗1、介质损耗的基本概念：、介质损耗的基本概念：介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损

19、耗介质损耗：在电场作用下，电介质由于电导引起的损耗和有损极化损耗，总称为介质损耗。和有损极化损耗，总称为介质损耗。电介质的等效电路：电介质的等效电路：电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性；电容支路：由真空和无损极化所引起的电流为纯容性；阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无阻容支路：由有损极化所引起的电流分为有功和容性无功两部分。功两部分。纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。纯阻支路：由漏导引起的电流，为纯阻性的。计算用等值电路：计算用等值电路：单位体积介质的损耗功率单位体积介质的损耗功率电介质的损耗角电介质的损耗角介质损耗因数介质损耗因数工程上常用工程上常用 表征介质

20、的品质表征介质的品质2、介质、介质损耗因数损耗因数 的意义的意义：若若 过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能过大会引起严重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。导致热击穿。用于冲击测量的连接电缆，要求用于冲击测量的连接电缆，要求 必须要小，否则必须要小，否则会影响测量精度。会影响测量精度。用做绝缘材料的介质，希望用做绝缘材料的介质，希望 小。在其他场合，可小。在其他场合，可利用利用 引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。引起的介质发热，如电瓷泥坯的阴干。在绝缘试验中，在绝缘试验中，的测量是一项基本测试项目。的测量是一项基本测试项目。3、气体介质的损耗：、气体介质的损耗：当场强小于气体分子电离所

21、需要的值时，气体介质当场强小于气体分子电离所需要的值时，气体介质的电导很小，损耗也很小。的电导很小，损耗也很小。当场强足够大，气体介质将产生电离，介质损耗大当场强足够大，气体介质将产生电离，介质损耗大增，且增长很快。增，且增长很快。4、液体和固体介质中的损耗：、液体和固体介质中的损耗：中性介质中的极化主要时电子位移极化和离子位移中性介质中的极化主要时电子位移极化和离子位移极化，它们是无损的或几乎无损的。这类介质的损耗主极化，它们是无损的或几乎无损的。这类介质的损耗主要由漏导决定。要由漏导决定。极性介质的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗极性介质的损耗主要包括电导式损耗和电偶式损耗两部分。它与温度、频率等因素有复杂的关系。两部分。它与温度、频率等因素有复杂的关系。