电介质的损耗

第二节电介质的损耗作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。它是导致电介质发生热击穿的根源。电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。1损耗的形式①电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。②极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。用tgδ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。`③游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。2介质损耗的表示方法在理想电容器中，电压与电流强度成90o，在真实电介质中，由于GU分量，而不是90o。此时，合成电流为：；故定义：——为复电导率——复介电常数损耗角的定义：只要电导(或损耗)不完全由自由电荷产生，那么电导率σ本身就是一个依赖于频率的复量，故实部ε*不是精确地等于ε，虚部也不是精确地等于。复介电常数最普通的表示方式是：ε'、ε''都是领带依赖于频率的量，所以：3介质损耗和频率、温度、湿度的关系1)频率的影响（1）当外加电场频率很低，即ω→0时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，PW和频率无关。tgδ=δ/ωε，则当ω→0时，tgδ→∞。随着ω的升高，tgδ减小。（2）当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而εr随ω升高而减少。在这一频率范围内，由于ωτ＜＜1，故tgδ随ω升高而增大，同时Pw也增大。(3)当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅由位移极化决定，εr趋于最小值。此时由于ωτ＞＞1，此时tgδ随ω升高而减小。ω→∞时，tgδ→0。从图可看出，在ωm下，tgδ达最大值，ωm可由下式求出：tgδ的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tgδ的最大值变得平坦，最后在很大的电导下，tgδ无最大值，主要表现为电导损耗特征：tgδ与ω成反比，如图2）温度的影响温度对松弛极化产生影响，因而P，ε和tgδ与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数τ减小。（1）当温度很低时,τ较大，由德拜关系式可知，εr较小，tgδ也较小。此时，由于，，，故在此温度范围内，随温度上升，τ减小，εr、tgδ和PW上升。（2）当温度较高时，τ较小，此时，因而在此温度范围内，随温度上升，τ减小，tgδ减小。这时电导上升并不明显，所以PW主要决定于极化过程，PW也随温度上升而减小。由此看出，在某一温度Tm下，PW和tgδ有极大值，如左图。（3）当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr下降。此时电导损耗剧烈上升，tgδ也随温度上升急剧上升。比较不同频率下的tgδ与温度的关系，可以看出，高频下，Tm点向高温方向移动。根据以上分析可以看出，如果介质的贯穿电导很小，则松弛极化介质损耗的特征是：tgδ在与频率、温度的关系曲线中出现极大值。3）湿度的影响介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使tgδ增大。对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸内水分含量从4％增加到10％时，其tgδ可增加100倍。4无机介质的损耗1)无机材料还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗。a)电离损耗主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功率可以用下式近似计算：式中A为常数，ω为频率，U为外施电压。U0为气体的电离电压。该式只有在U＞U0时才适用，此时，当UU0，tgδ剧烈增大。固体电介质内气孔引起的电离损耗，可能导致整个介质的热破坏和化学破坏，应尽量避免。b)结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tgδ则和频率无关。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的，但是当某些原因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使它的内部结构变松散了，会使结构损耗大为提高。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗，在常温、高频下，主要为松弛极化损耗，在高频、低温下主要为结构损耗。2)离子晶体的损耗根据内部结构的紧密程度，离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。前者离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，如α-Al2O3、镁橄榄石晶体，在外电场作用下很难发生离子松弛极化（除非有严重的点缺陷存在），只有电子式和离子式的弹性位移极化，所以无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起（包括本征电导和少量杂质引起的杂质电导）。在常温下热缺陷很少，因而损耗也很小。这类晶体的介质损耗功率与频率无关。tgδ随频率的升高而降低。因此以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tgδ随温度的变化呈现出电导损耗的特征。后者如电瓷中的莫来石（3Al2O3.2SiO2)、耐热性瓷中的堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）等，这类晶体的内部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动范围扩大。在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动（包括接力式的运动）,产生电导损耗。弱联系离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。所以这类晶体的损耗较大，由这类晶体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。另外，如果两种晶体生成固溶体，则因或多或少带来各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较大的损耗，并且有可能在某一比例时达到很大的数值，远远超过两种原始组分的损耗。例如ZrO2和MgO的原始性能都很好，但将两者混合烧结，MgO溶进ZrO2中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗大大增加，当MgO含量约为25mol％时，损耗有极大值。3)玻璃的损耗复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，决定于外界因素――温度和外加电压的频率。高频和高温下，电导损耗占优势；在高频下，主要的是由联系弱的离子在有限范围内的移动造成的松弛损耗；在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机理目前还不清楚，大概与结构的紧密程度有关。一般简单纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系弱的松弛离子。在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。这是因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大。在玻璃电导中出现的“双碱效应”（中和效应）和“压碱效应”（压抑效应）在玻璃的介质损耗方面也同样存在，即当碱离子的总浓度不变时，由两种碱性氧化物组成的玻璃，tgδ大大降低，而且有一最佳的比值。左图表示Na2O－K2O－B2O3系玻璃的tgδ与组成的关系，其中B2O3数量为100，N＋离子和K＋离子的总量为60。当两种碱同时存在时，tgδ总是降低，而最佳比值约为等分子比。这可能是两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，玻璃由不同结构的微晶所组成。可以设想，在碱性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效应特别明显。因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来，减少松弛极化作用，因而使tgδ降低。例如含有大量PbO及BaO，少量碱的电容器玻璃，在1×106赫时，tgδ为6×10－4——9×10－4。制造玻璃釉电容器的玻璃含有大量PbO和BaO，tgδ可降低到4×10－4，并且可使用到250℃的高温。4)陶瓷材料的损耗主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。此外，表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗。以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源于玻璃相。为了改善某些陶瓷的工艺性能，往往在配方中引入一些易熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷随粘土含量的增大，其损耗也增大。因而一般高频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。如果陶瓷材料中含有可变价离子，如含钛陶瓷，往往具有显著的电子松弛极化损耗。因此，陶瓷材料的介质损耗是不能只按照瓷料成分中纯化合物的性能来推测的。在陶瓷烧结过程中，除了基本物理化学过程外，还会形成玻璃相和各种固溶体。固溶体的电性能可能不亚于，也可能不如各组成成分。这是在估计陶瓷材料的损耗时必须考虑的。总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围“分子”，使电磁场能量转变为“分子”的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。5)降低材料的介质损耗的方法降低材料的介质损耗应从考虑降低材料的电导损耗和极化损耗入手。（1）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。（2）改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。(3)尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应”和“压抑效应”，以降低玻璃相的损耗。(4）防止产生多晶转变，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。如滑石转变为原顽辉石时析出游离方石英Mg3（Si4O10）（OH）2一→3（MgO·SiO2）＋SiO2十H2O游离方石英在高温下会发生晶形转变产生体积效应，使材料不稳定，损耗增大。因此往往加入少量(1％)的Al2O3，使Al2O3和SiO2生成硅线石（Al2O3．SiO2）来提高产品的机电性能。(5）注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。(6)控制好最终烧结温度，使产品“正烧”，防止“生烧”和“过烧”以减少气孔率。此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。小结：介电损耗的概念、损耗的形式、不同材料的主要损耗形式、降低材料损耗的措施