修改版-电介质极化与介电常数

电介质的电气性能电气绝缘性质：1：导电性（电阻率或电导率）：加压后有微小电流导通：希望能保持住电压2：绝缘击穿（击穿电压或击穿场强）：达到某电压时电流急剧增大，绝缘体变成导体电介质性质：3：介质极化（相对介电常数）：介质在电场中电荷中心重新分布，对外显电性4：介电损耗（介质损耗角δ或其正切tgδ）：达当施加交流电压时，物质内部电荷往复运动、吸收电源能量、发热前言1：绝缘体的四大性质前言2：电介质介电常数对电场分布的影响2211EED)/ln(120rrrUE前言3：电介质物质结构的基本形式形成分子和聚集态的各种健：离子健共价键分子健电介质的分类：根据化学结构分为3类非极性及弱极性电介质偶极性电介质离子性电介质81727ClNa11281离子结构电介质(岩盐)NaCl共价键+中性共价键极性共价键H+=H﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl2﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒Cl﹒﹒﹒﹒﹒﹒第一大性质：电介质的极化及介电常数平板真空电容器电容量：dAUQC000插入固体电解质后电容量：dAUQQC'0相对介电常数：0'000QQQCCr相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量'Q—由电介质极化引起的束缚电荷一、极化现象电场强度E电位移矢量D极化强度PEEEEEPEDr00000)1(电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作用电介质内部物理结构发生变化，结果导致电介质内部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显现电性。这个过程称作极化一、极化现象1：电偶极子(dipole)：相距很近的两个极性相反量值相等的电荷：对外产生电场2：电偶极距：p＝q×d:表示电偶极子的特性3：极化强度：单位体积内的电偶极距：P。4：极化：电介质在电场中产生电偶极子并使其方向与外电场方向一致、或使原来就有的电偶极子转向与外电场方向一致二、极化概念-q+qdE0极化前极化后+++++++-------1：电子位移极化2：离子位移极化3：转向极化4：空间电荷极化（包括夹层介质界面极化）三、极化类型当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，其负电荷作用中心相对于原子核产生位移，形成电矩，称电子的位移极化。特点：1、范围：一切气体、液体及固体介质中2、能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗3、与频率关系：极化速度快，10-14-10-15秒，在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关4、与温度关系：无关5、与场强关系：极化强度与电矩的大小成正比极化机理：1：电子位移极化在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化极化机理：2：离子位移极化1、范围：由离子键构成的电介质中2、能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗3、与频率关系：极化完成时间约为l0-12-10-13s，当交变电场的频率低于红外线光频率，离子位移极化与频率无关4、与温度关系：温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程度降低。通常前一种因素影响较大5、与场强关系：极化程度与电场强度成正比2：离子位移极化特点：在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子（电偶极子）顺电场方向定向排列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化极化机理：(a)无外电场E=0(b)有外电场+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-E+-3：转向极化1、范围：极性分子构成的电介质2、能耗：分子转向存在摩擦，有明显能量损耗3、与频率关系：极化完成时间约为l0-6-10-2s，甚至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小4、与温度关系：与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系紧(例如粘度很大)，分子难以转向．极化较弱。所以极性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小5、与场强关系：与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就越整齐，转向极化就越强3：转向极化特点：高电压设备的绝缘由几种不同的材料组成，或介质不均匀，这种情况会出现“夹层介质界面极化”现象。合闸时：稳态时：12021CCUUt1221GGUUt当：则：2121ttUUUU21021存在电压从新分配，电荷在介质空间从新分布，夹层界面出现电荷堆积，从而对外显电性极化机理：UGGGUGGGU2122111111UGGGU2112UCCCUCCCU2122111111UCCCU21124：夹层极化1、范围：出现在电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器等复合绝缘中2、能耗：电流流过电导，有能量损耗3、与频率关系：只在低频下有意义，夹层界面上电荷的堆积是通过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成时间从几十分之—秒到儿分钟，甚至有长达几小时的。4、与温度关系：温度影响电导率5、与场强关系：空间电荷与电压大小有关4：夹层极化特点：极化机理：正负离子移动适用范围：含离子和杂质离子的介质极化程度影响因素：电场强度（有关）电源频率（低频下存在：极化建立时间很长）温度（有关）消耗能量：非弹性；有能耗E空间电荷极化-_+++__5：空间电荷极化材料类别名称相对介电常数εr（20℃）气体介质标准大气条件空气1.00058液体介质弱极性变压器油硅有机液体2.2~2.52.2~2.8极性蓖麻油氯化联苯4.54.6~5.2强极性酒精水2681固体介质中性或弱极性沥青2.6~2.7极性纤维素胶水聚氯乙烯6.54.53.0~3.5离子性云母电瓷5~75.5~6.5四、典型电介质的介电常数1、选择绝缘：电容器大电容器单位容量体积和重可减少电缆小可使电缆工作时充电电流减小电机定子线圈槽出口和套管小,可提高沿面放电电压2、多层介质的合理配合：电场分布与成反比组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘劣化和热击穿的主要原因4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构成威胁5、研发新型绝缘材料rrr2211EE五、谈论介电常数的意义电介质极化应用实例：平行平板电极间距离为2cm，在电极上施加55kV的工频电压时未发生间隙击穿，当板电极间放入一厚为1cm的聚乙烯板（εr=2.3）时，问此时会发生间隙击穿现象否？为什么？并请计算插入聚乙烯板前后的各介质中的电场分布。解：a：空气；s：塑料介质(1)插入前：Ea=V0/d=55/2=27.5kV/cm(2)插入后：Vs/Va=εa/εs，得Va=2.3VsV0=Vs+Va=3.3VsVs=V0/3.3=55/3.3=16.7(kV)Es=16.7kV/cmVa=V0-Vs=55-16.7=38.3(kV)Ea=38.3kV/cm30kV/cm的空气击穿场强故插入聚乙烯板后空气间隙击穿，然后聚乙烯板也被击穿课堂作业：p14页1－6后一问气体电介质的介电常数气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小。液体电介质的介电常数非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都不大，其值在1.8~2.8范围内。介电常数和温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在3~80范围，能用作绝缘介质的εr值在3~6左右。此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有实际应用固体电介质的介电常数非极性和弱极性固体电介质：此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蜡、石棉、无机玻璃等都属此类，这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常在2.0-2.7范围。介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近偶极性固体电介质：属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3-6，还可能更大。介电常数和温度及频率的关系和极性液体的相似离子性电介质：如陶瓷，云母等，此类电介质的相对介电常数єr一般在5-8左右