1、3.1 固體電介質的極化與損耗3.1.1 固體電介質的介電常數3.1.2 固體電介質的損耗返回 電介質的介電常數也稱為電容率，是描述電介質極化的宏觀參數。電介質極化的強弱可用介電常數的大小來表示，它與該介質分子的極性強弱有關，還受到溫度、外加電場頻率等因素的影響。 3.1.1 固體電介質的介電常數 電介質的相對介電常數為EDr0 式中，D、E分別為電介質中電通量密度、宏觀電場強度。(3-1)平板電容器的介電常數圖3-1 平板電容器中的電荷和電場分布(a)真空 (b)充以介質00E 電荷面密度0極板間真空中的電場強度(3-2)視頻鏈接真空電容器的電容量為USC00 當極板間充以均勻各向同性的電介

2、質時（見圖3-1 (b)），在電場作用下電介質產生極化，極板上自由電荷面密度應為 0(3-3)(3-4) 充以電介質后電容器的電容量為USUSC)(0 顯然，極板間充以電介質后，由于電介質的極化使電容器的電容量比真空時增加了，因此，可以用充以介質后電容量的變化來描述電介質極化的性能。(3-5) 電容器充以某電介質時的電容量C與真空時電容量C0的比值為該介質的相對介電常數，即 是一個相對的量，叫做相對介電常數，是大于1的常數。00CCrr(3-6) 根據電介質極化強度P的定義，當電介質中每個分子在電場方向的感應偶極矩為 時，則有NP 式中，N電介質單位體積中的分子數。 若作用于分子的有效電場強度

3、為 ，則分子的感應偶極矩可以認為與 成正比，即iEiEiE 式中，比例常數 稱為分子極化率，在SI單位制中的單位為 。(3-8)(3-9)2Fm 于是根據式（3-8）和式（3-9），可得電介質極化的宏、微觀參數的關系為irENEP) 1(0 亦可寫成EENir01 上式建立了電介質極化的宏觀參數 與分子微觀參數 的關系。一般來說，作用于分子上的電場強度 不等于介質中的宏觀平均電場強度E，稱Ei為電介質的有效電場或內電場。式（3-11）又稱為克勞休斯（Clausius）方程。r),(iEN(3-10)(3-11)1. 非極性固體電介質 這類介質在外電場作用下，按其物質結構只能發生電子位移極化，其

4、極化率為 。e 如不考慮聚合物微觀結構的不均勻性（高分子聚合物中晶態和非晶態并存）和晶體介質介電常數的各向異性，非極性固體介質的有效電場 （莫索締有效電場），介電常數與極化率的關系符合克莫方程。3/)2(EEi2. 極性固體電介質 極性固體電介質在外電場作用下，除了發生電子位移極化外，還有極性分子的轉向極化。由于轉向極化的貢獻，使介電常數明顯地與溫度有關。返回返回3.1.2 固體電介質的損耗 在電場作用下沒有能量損耗的理想介質是不存在的，實際電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱為介質損耗。 在電場作用下沒有能量損耗的理想介質是不存在的，實際電介質中總有

5、一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化引起的損耗，總稱為介質損耗。圖3-2 介質損耗角示意圖 絕緣材料的介質損耗角正切就是損耗角的正切值，可直接用tan表示。絕緣材料的損耗角是在其上的外施電壓與由此產生的電流之間的相位差的余角。 它是由介質電導以及介質極化的滯后效應所引起的。如圖3-2所示2根據電流電壓的相量關系，可得到復介電常數 。r rtanrr 絕緣材料的損耗指數 等于該材料的tan 與相對介電常數 的乘積，即*rrrrj *rrrr tan由上述關系得(3-15)(3-13)(3-14)1. 固體無機電介質 普通的無機晶體介質，如氯化鈉(NaCl)、石英和云母等，它們只有位

6、移極化，其介質損耗主要來源于電導，tan與直流電導率 的關系為（1）無機晶體rrff1108 . 1108 . 1tan1010 (3-16)（2）無機玻璃 玻璃的介質損耗可以認為主要由三部分組成：電導損耗、松弛損耗和結構損耗。 它們與溫度的關系如圖3-3所示。結構損耗與玻璃結構的緊密程度有關，結構愈松，結構損耗一般愈大。圖3-3 玻璃tan與溫度的關系1-電導損耗 2-松弛損耗 3-結構損耗 4-總介質損耗（3）陶瓷介質 陶瓷可以分為含有玻璃相和幾乎不含玻璃相兩類，第一類陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的結構，其介質損耗主要由三部分組成：玻璃相中離子電導損耗、結構較松的多晶點陣結構引起的松弛損

7、耗以及氣隙中含水引起的界面附加損耗，tan相當大。 第二類是由大量的微晶晶粒所組成，僅含有極少量或不含玻璃相，通常結晶相結構緊密，tan 比第一類陶瓷小得多。2. 固體有機電介質 非極性有機介質，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯和天然的石蠟、地蠟等。它們既沒有弱聯系離子，也不含極性基團，因此在外電場作用下只有電子位移極化，其介質損耗主要是由雜質電導引起的。這類介質的電導率一般很小，所以相應的tan值也很小，被廣泛用作工頻和高頻絕緣材料。 極性有機介質，如含有極性基的有機介質及天然纖維等，它們的分子量一般較大，分子間相互聯系的阻礙作用較強，因此除非在高溫之下，整個極性分子的轉向難以建立，轉向極化只可能由極性基團的定向所引起。 這類極性有機介質的損耗，主要決定于極性基的松弛損耗，因而在高頻下的損耗也很大，不能作為高頻介質應用。小 結返回返回(本節完)非極性固體電介質只能發生電子位移極化