1、第二節 電介質的損耗 作用下的能量損耗，由電能轉變為其它形式的能，如熱能、光能等，統稱為介質損耗。它是導致電介質發生熱擊穿的根源。電介質在單位時間內消耗的能量稱為電介質損耗功率，簡稱電介質損耗。 1 損耗的形式 電導損耗 ： 在電場作用下，介質中會有泄漏電流流過，引起電導損耗。氣體的電導損耗很小，而液體、固體中的電導損耗則與它們的結構有關。非極性的液體電介質、無機晶體和非極性有機電介質的介質損耗主要是電導損耗。而在極性電介質及結構不緊密的離子固體電介質中，則主要由極化損耗和電導損耗組成。它們的介質損耗較大，并在一定溫度和頻率上出現峰值。 電導損耗，實質是相當于交流、直流電流流過電阻做功，故在這

2、兩種條件下都有電導損耗。絕緣好時，液、固電介質在工作電壓下的電導損耗是很小的，與電導一樣，是隨溫度的增加而急劇增加的。 極化損耗 ： 只有緩慢極化過程才會引起能量損耗，如偶極子的極化損耗。它與溫度有關，也與電場的頻率有關。極化損耗與溫度、電場頻率有關。在某種溫度或某種頻率下，損耗都有最大值。用 tg 來表征電介質在交流電場下的損耗特征。 游離損耗 ： 氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。電暈是在空氣間隙中或固體絕緣體表面氣體的局部放電現象。但這種放電現象不同于液、固體介質內部發生的局部放電。即局部放電是指液、固體絕緣間隙中，導體間的絕緣材料局部形成“橋路”的

3、一種電氣放電，這種局部放電可能與導體接觸或不接觸。這種損耗稱為電暈損耗。 2 介質損耗的表示方法 在理想電容器中，電壓與電流強度成 90o ，在真實電介質中，由于 GU 分量，而不是 90o 。此時，合成電流為： ； 故定義： 為復電導率 復介電常數 損耗角的定義： 只要電導 ( 或損耗 ) 不完全由自由電荷產生，那么電導率本身就是一個依賴于頻率的復量，故實部 * 不是精確地等于，虛部也不是精確地等于 。復介電常數最普通的表示方式是： 、 都是領帶依賴于頻率的量，所以： 3 介質損耗和頻率、溫度、濕度的關系 1) 頻率的影響 （ 1 ）當外加電場頻率很低，即 0 時，介質的各種極化都能跟上外加

4、電場的變化，此時不存在極化損耗，介電常數達最大值。介電損耗主要由漏導引起， P W 和頻率無關。 tg=/ ，則當 0 時， tg 。隨著 的升高， tg 減小。 （ 2 ）當外加電場頻率逐漸升高時，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數的貢獻逐漸減小，因而 r 隨 升高而減少。在這一頻率范圍內，由于 1 ，故 tg 隨 升高而增大，同時 Pw 也增大。 (3) 當 很高時， r ，介電常數僅由位移極化決定， r 趨于最小值。此時由于 1 ，此時 tg 隨 升高而減小。 時， tg0 。 從圖可看出，在 m 下， tg 達最大值， m 可由下式求出： tg 的最大值主要由

5、松弛過程決定。如果介質電導顯著變大，則 tg 的最大值變得平坦，最后在很大的電導下， tg 無最大值，主要表現為電導損耗特征： tg 與 成反比，如圖 2 ）溫度的影響 溫度對松弛極化產生影響，因而 P ， 和 tg 與溫度關系很大。松弛極化隨溫度升高而增加，此時，離子間易發生移動，松弛時間常數 減小。 （ 1 ）當溫度很低時 , 較大，由德拜關系式可知， r 較小， tg 也較小。此時，由于 ， ， ，故在此溫度范圍內，隨溫度上升， 減小， r 、 tg 和 P W 上升。 （ 2 ）當溫度較高時， 較小，此時 ，因而 在此溫度范圍內，隨溫度上升， 減小， tg 減小。這時電導上升并不明顯，

6、所以 P W 主要決定于極化過程， P W 也隨溫度上升而減小。 由此看出，在某一溫度 T m 下， P W 和 tg 有極大值，如左圖。 （ 3 ）當溫度繼續升高，達到很大值時，離子熱運動能量很大，離子在電場作用下的定向遷移受到熱運動的阻礙，因而極化減弱， r 下降。此時電導損耗劇烈上升， tg 也隨溫度上升急劇上升。 比較不同頻率下的 tg 與溫度的關系，可以看出，高頻下， T m 點向高溫方向移動。 根據以上分析可以看出，如果介質的貫穿電導很小，則松弛極化介質損耗的特征是： tg 在與頻率、溫度的關系曲線中出現極大值。 3 ）濕度的影響 介質吸潮后，介電常數會增加，但比電導的增加要慢，由

7、于電導損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使 tg 增大。對于極性電介質或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內水分含量從 4 增加到 10 時，其 tg 可增加 100 倍。 4 無機介質的損耗 1) 無機材料還有兩種損耗形式：電離損耗和結構損耗。 a) 電離損耗 主要發生在含有氣相的材料中。它們在外電場強度超過了氣孔內氣體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。其損耗功率可以用下式近似計算： 式中 A 為常數， 為頻率， U 為外施電壓。 U 0 為氣體的電離電壓。該式只有在 U U 0 時才適用，此時，當 UU 0 ， tg 劇烈增大。 固體電介質內氣孔引起的

8、電離損耗，可能導致整個介質的熱破壞和化學破壞，應盡量避免。 b) 結構損耗 是在高頻、低溫下，與介質內部結構的緊密程度密切相關的介質損耗。結構損耗與溫度的關系很小，損耗功率隨頻率升高而增大，但 tg 則和頻率無關。實驗表明，結構緊密的晶體或玻璃體的結構損耗都是很小的，但是當某些原因（如雜質的摻入，試樣經淬火急冷的熱處理等）使它的內部結構變松散了，會使結構損耗大為提高。 一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導損耗，在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗，在高頻、低溫下主要為結構損耗。 2) 離子晶體的損耗 根據內部結構的緊密程度，離子晶體可以分為結構緊密的晶體和結構不緊密的離子晶體。 前者離子都堆積得

9、十分緊密，排列很有規則，離子鍵強度比較大，如 -Al 2 O 3 、鎂橄欖石晶體，在外電場作用下很難發生離子松弛極化（除非有嚴重的點缺陷存在），只有電子式和離子式的彈性位移極化，所以無極化損耗，僅有的一點損耗是由漏導引起（包括本征電導和少量雜質引起的雜質電導）。在常溫下熱缺陷很少，因而損耗也很小。這類晶體的介質損耗功率與頻率無關。 tg 隨頻率的升高而降低。因此以這類晶體為主晶相的陶瓷往往用在高頻的場合。如剛玉瓷、滑石瓷、金紅石瓷、鎂橄欖石瓷等，它們的 tg 隨溫度的變化呈現出電導損耗的特征。 后者如電瓷中的莫來石（ 3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) 、耐熱性瓷中的堇青石（ 2MgO2A

10、l 2 O 3 5SiO 2 ）等，這類晶體的內部有較大的空隙或晶格畸變，含有缺陷或較多的雜質，離子的活動范圍擴大。在外電場作用下，晶體中的弱聯系離子有可能貫穿電極運動（包括接力式的運動） , 產生電導損耗。弱聯系離子也可能在一定范圍內來回運動，形成熱離子松弛，出現極化損耗。所以這類晶體的損耗較大，由這類晶體作主晶相的陶瓷材料不適用于高頻，只能應用于低頻。 另外，如果兩種晶體生成固溶體，則因或多或少帶來各種點陣畸變和結構缺陷，通常有較大的損耗，并且有可能在某一比例時達到很大的數值，遠遠超過兩種原始組分的損耗。例如 ZrO 2 和 MgO 的原始性能都很好，但將兩者混合燒結， MgO 溶進 Zr

11、O 2 中生成氧離子不足的缺位固溶體后，使損耗大大增加，當 MgO 含量約為 25mol 時，損耗有極大值。 3) 玻璃的損耗 復雜玻璃中的介質損耗主要包括三個部分：電導損耗、松弛損耗和結構損耗。哪一種損耗占優勢，決定于外界因素 溫度和外加電壓的頻率。高頻和高溫下，電導損耗占優勢；在高頻下，主要的是由聯系弱的離子在有限范圍內的移動造成的松弛損耗；在高頻和低溫下，主要是結構損耗，其損耗機理目前還不清楚，大概與結構的緊密程度有關。 一般簡單純玻璃的損耗都是很小的，這是因為簡單玻璃中的“分子”接近規則的排列，結構緊密，沒有聯系弱的松弛離子。在純玻璃中加入堿金屬氧化物后，介質損耗大大增加，并且損耗隨堿

12、性氧化物濃度的增大按指數增大。這是因為堿性氧化物進入玻璃的點陣結構后，使離子所在處點陣受到破壞。因此，玻璃中堿性氧化物濃度愈大，玻璃結構就愈疏松，離子就有可能發生移動，造成電導損耗和松弛損耗，使總的損耗增大。 在玻璃電導中出現的 “ 雙堿效應 ” （中和效應）和 “ 壓堿效應 ” （壓抑效應）在玻璃的介質損耗方面也同樣存在，即當堿離子的總濃度不變時，由兩種堿性氧化物組成的玻璃， tg 大大降低，而且有一最佳的比值。 左圖表示 Na 2 O K 2 O B 2 O 3 系玻璃的 tg 與組成的關系，其中 B 2 O3 數量為 100 ， N 離子和 K 離子的總量為 60 。當兩種堿同時存在時，

13、 tg 總是降低，而最佳比值約為等分子比。這可能是兩種堿性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶結構，玻璃由不同結構的微晶所組成。可以設想，在堿性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，離子與主體結構較強地固定著，實際上不參加引起介質損耗的過程；在離開最佳比值的情況下，一部分堿金屬離子位于微晶的外面，即在結構的不緊密處，使介質損耗增大。 在含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物時，壓抑效應特別明顯。因為二價離子有二個鍵能使松弛的堿玻璃的結構網鞏固起來，減少松弛極化作用，因而使 tg 降低。例如含有大量 PbO 及 BaO ，少量堿的電容器玻璃，在 110 6 赫時， tg 為 610 4 910

14、 4 。制造玻璃釉電容器的玻璃含有大量 PbO 和 BaO ， tg 可降低到 410 4 ，并且可使用到 250 的高溫。 4) 陶瓷材料的損耗 主要是電導損耗、松弛質點的極化損耗及結構損耗。此外，表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面電導也會引起較大的損耗。 以結構緊密的離子晶體為主晶相的陶瓷材料，損耗主要來源于玻璃相。為了改善某些陶瓷的工藝性能，往往在配方中引入一些易熔物質（如粘土），形成玻璃相，這樣就使損耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷隨粘土含量的增大，其損耗也增大。因而一般高頻瓷，如氧化鋁瓷、金紅石等很少含有玻璃相。 大多數電工陶瓷的離子松弛極化損耗較大，主要原因是：主晶相結構松散，生成了

15、缺陷固溶體，多晶形轉變等。 如果陶瓷材料中含有可變價離子，如含鈦陶瓷，往往具有顯著的電子松弛極化損耗。 因此，陶瓷材料的介質損耗是不能只按照瓷料成分中純化合物的性能來推測的。在陶瓷燒結過程中，除了基本物理化學過程外，還會形成玻璃相和各種固溶體。固溶體的電性能可能不亞于，也可能不如各組成成分。這是在估計陶瓷材料的損耗時必須考慮的。 總之，介質損耗是介質的電導和松弛極化引起的電導和極化過程中帶電質點（弱束縛電子和弱聯系離子，并包括空穴和缺位）移動時，將它在電場中所吸收的能量部分地傳給周圍“分子”，使電磁場能量轉變為“分子”的熱振動，能量消耗在使電介質發熱效應上。 5) 降低材料的介質損耗的方法 降

16、低材料的介質損耗應從考慮降低材料的電導損耗和極化損耗入手。 （ 1 ）選擇合適的主晶相：盡量選擇結構緊密的晶體作為主晶相。 （ 2 ）改善主晶相性能時，盡量避免產生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續固溶體。這樣弱聯系離子少，可避免損耗顯著增大。 (3) 盡量減少玻璃相。有較多玻璃相時，應采用 “ 中和效應 ” 和 “ 壓抑效應 ” ，以降低玻璃相的損耗。 (4 ）防止產生多晶轉變，因為多晶轉變時晶格缺陷多，電性能下降，損耗增加。如滑石轉變為原頑輝石時析出游離方石英 Mg 3 （ Si 4 O 10 ）（ OH ） 2 一 3 （ MgOSiO 2 ） SiO 2 十 H 2 O 游離方石英在高溫下會發生晶形轉變產生體積效應，使材料不穩