4.2-电介质的损耗(材料物理性能)解析

16.2电介质的损耗复习1、什么是电介质极化？2、给出克劳修斯-莫索蒂方程及其适用范围。3、高介电晶体的结构特点。本节内容1、介质损耗产生的原因。2、介质损耗的表征方法。3、介质损耗的影响因素。2一、介质损耗的产生1.介质损耗绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。简称介损。能量损耗-转变为其它形式的能，如热能、光能等电介质加热:电极之间加高频电压，因构成电介质的各个分子发生旋转、振动、碰撞、摩擦等激烈运动，在电介质内部发热。利用电介质发热的加热方式为电介质加热。++++++++________eee3电导损耗由漏导电流引起，与自由电荷有关，对电容器施加直流电压，充电电流随时间增加而降到某一恒定的数值，这个电流称为电容器的漏电流。2.介质电导和介质极化的滞后效应1)介质电导的滞后效应-电导损耗结论：电导损耗实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好的液、固电介质在工作电压下的电导损耗很小，损耗随温度的增加而急剧增加.++++++++________eee与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同？4主要是因为在外电场作用下,材料内自由电荷重新分布的结果。介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同？1．离子电导陶瓷材料的漏导电流在测量陶瓷电阻时，加上直流电压后，电阻需要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将电极短路，有反向放电电流，并随时间减小到零，随时间变化的这部分电流称为吸收电流，最后恒定的电流称为漏导电流。产生的原因-空间电荷效应在电场作用下，正负离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度变化，并保持在高势垒状态。在介质内部，离子减少，在电极附近离子增加，或在某地方积聚，这样形成自由电荷的积累，称空间电荷。++--5极化损耗由极化电流引起，介质极化的建立引起电流，与极化松弛等有关；2）介质极化的滞后效应：极化损耗时间VP只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子转向极化和空间电荷极化，这种极化损耗能量。极化损耗与温度、电场频率有关。++++____+-63）常见介质中的损耗形式非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质电导损耗极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质极化损耗和电导损耗7损耗角正切tg介质损耗大小损耗因子tg作为绝缘材料的选择依据品质因素Q=1/tg应用于高频损耗功率p功率的计算等效电导率=电介质发热复介电常数的复项研究材料的功率、发热有关介质的损耗描述方法有多种，哪一种描述方法比较方便，需根据用途而定。二、介质损耗的表征方法8在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。简称介损角1、介质损耗角δ2、介质损耗正切值tgδ又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下9这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：电流相量的相量图：和电压相量10I=IC+IR=(iωC+G)UG=σS/dC=εS/dCRIItgdSUiIdSUGUICR损耗角正切：111）复介电常数的含义①原子核外电子云的畸变极化；②分子中正、负离子的（相对）位移极化；③分子固有电矩的转向极化。电极化的基本过程有三：在外界电场作用下，介质的介电常数ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量；它是频率ω的函数ε(ω)。3、复介电常数12只当频率为零或频率很低（例如1千赫）时,三种微观过程都参与作用，这时的介电常数ε(0)对于一定的电介质而言是个常数，通称为介电常数，这也就是静电介电常数εs或低频介电常数。低频极化空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系13中频极化随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，这时，介电常数取复数形式ε(ω)＝ε′(ω)-jε″(ω)，其中虚部ε″(ω)代表介质损耗；它是由于电极化过程追随不上外场的变化而引起的。实部随着频率的增加而显著下降，虚部出现峰值。空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系14频率再增加，实部ε′(ω)降至新值，虚部ε″(ω)变为零，这表示分子固有电矩的转向极化已不能响应了。当频率进入到红外区，分子中正、负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部ε′(ω)先突然增加，随即陡然下降,ε″(ω)又出现峰值；过此以后，正、负离子的位移极化亦不起作用了。高频极化空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系15光频极化在可见光区,只有电子云的畸变极化在起作用了,这时实部取更小的值，称为光频介电常数，记以ε→∞，虚部对应于光吸收。光频介电常数ε→∞实际上随频率的增加而略有增加。在某些频率时,实部ε′(ω)先突然增加随即陡然下降，与此同时虚部ε″(ω)出现峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收。空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系16ii**J=(iωε+σ)E复电导率：σ*=iωε+σJ=σ*EJ=iωε*EI=IC+IR=(iωC+G)UG=σS/dC=εS/ddSUiIdSUGUICR,EidUiSIJ复介电常数2）漏导复介电常数：17复介电常数:ii**ε*=ε’-iε”ε’=εε”=σ/ω损耗角正切：'电容项损耗项tgε’和ε”是依赖于频率的量介质的损耗由复介电常数的虚部引起，通常电容电流由实部引起，相当于实际测得介电常数。18时间P理想Po实际P介质的弛豫过程极化强度随时间变化的速率111PPdtdPP0=x0E，P1∞=x1Ex0，x1绝对极化系数，τ是弛豫时间常数2）极化损耗的复介电常数19交变电场作用下的P(t)为：EEiPrc010)1(rc-复极化系数(相对)011000,rr'10111rrrrrcrii2212210'111rrrrrA.极化损耗复介电常数20低频或者静态:εr’取ε(0)，ε(0)代表静态相对介电常数；频率ω→∞:εr’→ε∞，ε∞代表光频相对介电常数rrr01011)0(C.ε(0)和ε∞'10111rrrrrcriiB.极化损耗复介电常数含义：21其中：(0)-----低或静态的相对介电常数------时的相对介电常数r()=+[(0)-]/(1+i)r´=+[(0)-]/(1+22)（r()的实部）r´´=[(0)-]/(1+22)（r()的虚部）tg=r´´/r´D.复介电常数的德拜表达式rrr01011)0('10111rrrrrcrii22研究了电介质的介电常数ε、反映介电损耗的εr、所加电场的角频率及松弛时间的关系。0.1110(0)r´´r´=1，r´´最大，大于或小于1时，r´´都小，即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不及转移定向，r´´就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，r´´也小。E.德拜表达式的意义231）直流电压下PW=IU=GU2G为介质的电导,单位为西门子(S)。22EVGUVPpW在一定的直流电场下，介质损耗率取决于材料的电导率4、介质损耗功率定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率p，V为介质体积，σ为纯自由电荷产生的电导率(S/m)。24'rrtg2）交流电压下σ=ωεtgδ介质等效电导率σ介质损耗只与εtgδ有关。εtgδ仅由介质本身决定，称为损耗因素。222tiWEtgEVGUVPpεr’即为通常测量的εr，则r20210在高频电压下，ωτ1,00在低频电压下，ωτ1,σ与ω2成正比。r´´=[(0)-]/(1+22)介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关。外施电压一定时:251）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。介电损耗主要由电导损耗引起，PW和频率无关。tgδ=σ/ωε，则当ω→0时，tgδ→∞。随着ω的升高，tgδ减小。三、介质损耗的影响因素频率、温度、湿度1.频率的影响电容项损耗项tg262）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ωτ1，故tgδ随ω升高而增大，同时Pw也增大。001/01/02222'rrtg27(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ωτ1，此时tgδ随ω升高而减小。ω→∞时，tgδ→0。/001/01/02222'rrtg28（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22'1,1tg2.温度的影响在此温度范围内，随温度上升，τ减小，εr、tgδ和PW上升。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，离子间易发生移动，松弛时间常数τ减小。29(2)当温度较高时，大于Tm，τ较小，此时20]0[tg在此温度范围内，随温度上升，τ减小，tgδ减小。PW主要决定于极化过程，PW也随温度上升而减小。30（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。电导损耗剧烈上升，tgδ也随温度上升急剧上升。31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。3.湿度的影响32四、压碱效应和双碱效应（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应1、玻璃电导中为什么采用压碱效应和双碱效应？因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃电导率3、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时(占玻璃组成25-30%)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。A.双碱效应：33RK+RLi+，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通过本身的空位；Li+进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；相互干扰的结果使电导率大大下降。以K2O、Li2O为例例34指含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。压碱效应机理由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通