介质损耗.docVIP

电介质的极化现象 将平行平板电容器放在密闭容器中，极间抽成真空，然后在极板上施加直流电压U，这时极板上聚积有正、负电荷，其电荷量为Q0，然后把一块固体介质(厚度与极间距离相等)放在极间，施加同样的电压，就可以发现极板上的电荷增加到Q0＋Q’。这是由电介质极化现象造成的：即在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，相应地便在极板上另外吸住了一部分电荷Q’，所以极板上电荷增多，并造成电容量的增加。平行平板电容器在真空中的电容量为： 电介质的极化类型 电子式极化 如图1所示，当物质原子里的电子轨道受到外电场的作用时，它相对于原子核发生位移而形成极化，这就是电子极化。电子极化存在于一切气体、液体及固体介质中。其特点为：(1)形成极化所需时间极短，故εr不受频率变化影响。(2)具有弹性，当外加电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合在一起而整个呈现非极性，所以这种极化没有损耗。 图1 电子式极化 离子式极化 固体无机化合物多数属于离子式结构。无外电场时，大量离子对的偶极距相互抵消，故平均偶极距为零，如图2(a)所示。在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极距不在为零，介质呈现极化，如图2(b)所示。离子式极化也属于弹性极化，几乎没有损耗；形成极化所需时间也很短，所以在一般使用的频率范围内，可以认为εr与频率无关。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上升而降低，使极化程度增加；另一方面，离子密度随着温度升高而减少，使极化程度降低。通常前一种因素影响较大，所以其εr一般具有正温度系数。 图2 离子式极化示意图 (a) 无外电场时 图2 离子式极化示意图 (b) 有外电场时 3、偶极子极化 偶极子是一种特殊的分子，它的正、负电荷的作用中心不相重合，好像分子的一端带正电荷、另一端带负电荷似的，因而形成一个永久性的偶极距。具有这种永久性偶极子的电介质称为极性电介质。 当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动中，分布非常混乱，对外作用相互抵消，因此整个介质对外并不呈现极性，如图3(a)。在外电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场方向定向排列，如图3(b)，因而显示出极性。 图3 离子式极化示意图 (a) 无外电场时 图3 离子式极化示意图 (b) 无外电场时 偶极子极化是非弹性的，极性时消耗的电场能量在复原时不可能收回；极化所需时间也较长。因此极性介质的εr与频率有较大关系，频率很高时偶极子来不及转动，因而其εr减小。 温度对极性介质的εr有很大影响。温度高时，分子热运动加剧，妨碍它们沿电场方向取向，这使极化减弱，所以极性气体介质常具有负温度系数。但对于固体、液体介质则情况有所不同，温度过低时，由于分子联系紧，分子难以转向，所以εr也变小。所以极性固体、液体介质的εr在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变的较强烈时，εr又随温度上升而减小。 4、夹层介质界面极化 上面介绍的均是单一均匀介质的情况。实际上高压设备绝缘往往由几种不同的材料组成，或介质是不均匀的，这种情况下会产生“夹层介质界面极化”现象。这种极化特别慢，而且伴随有能量的损失。 图4夹层介质界面极化现象 在S1刚合闸的瞬间，两层之间的电压分配与各层的电容成反比，即 达到稳态时，各层上分到的电压与电导成反比，即 如果是单一均匀介质，即介电常数ε1＝εγ1＝γ 如果介质不均匀，则 所以S1合闸以后，两介质之间有一个电压重新分配的过程，也就是说，C1、C2上的电荷要重新分配，设C1 C2而G1 G2，则在t→0时,U1 U2；而在t→∞时，则U1 U2。这样。在t0后，随着时间t的增加，U2逐渐下降，因为U1＋U2＝U为一定值，故U1逐渐增大。C2上一部分电荷要通过G2放掉，而C1则要从电源再吸收一部分电荷，称为吸收电荷。由于有夹层的存在使整个介质的等值电容增大，损耗也增大。 5、空间电荷极化 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，将在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹层界面极化一样都是缓慢进行的，所以在交流电场中，在低频至超低频阶段这种现象存在，而在高频时因空间电荷来不及移动，就没有这种现象。 三、讨论电介质极化的意义 1、材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。