42电介质物理.pptx

2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）第第4 4章章 电介质物理电介质物理 4.3 4.3 变动电场中电介质行为及介质损耗变动电场中电介质行为及介质损耗 4.4 4.4 极化弛豫极化弛豫 4.5 4.5 动态介电系数动态介电系数2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）本节将介绍在本节将介绍在变动电场中变动电场中电介质的行为电介质的行为如电场不断地改变，介质内的极化也就要不断地改变。如电场不断地改变，介质内的极化也就要不断地改变。电场改电场改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后。实际上介质中的多种极化是实际上介质中的多种极化是一些弛豫过程一些弛豫过程，从初态到末态要经，从初态到末态要经历或长或短的弛豫时间。介质极化的这种弛豫，在变动电场中历或长或短的弛豫时间。介质极化的这种弛豫，在变动电场中就就引起介质损耗引起介质损耗，并且使动态介电常数和静态介电常数，并且使动态介电常数和静态介电常数不同不同。4.3 4.3 变动电场中电介质行为及介质损耗变动电场中电介质行为及介质损耗 2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）介质损耗介质损耗：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由：在电场作用下电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）电导引起的损耗和某些有损极化（例如偶极子、夹层极化）引起引起的损耗，总称的损耗，总称介质损耗介质损耗。直流下直流下：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有：电介质中没有周期性的极化过程，只要外加电压还没有达到引起局部放电的数值，达到引起局部放电的数值，介质中的损耗将仅由电导组成介质中的损耗将仅由电导组成，所以，所以可可用体积电导率和表面电导率用体积电导率和表面电导率说明问题，不必再引入介质损耗这说明问题，不必再引入介质损耗这个概念了。个概念了。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）交流时：流过电介质的电流 其中：其中：功率因数角；功率因数角；介质损耗角。介质损耗角。I IR R 有功分量（损耗）有功分量（损耗）I IC C 无功分量无功分量介质损耗角正切介质损耗角正切2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）图图4.4 4.4 电容器中介质损耗对电流与电压位相关系的影响电容器中介质损耗对电流与电压位相关系的影响2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）实际电容器上的电流实际电容器上的电流I I分为两个分量，分为两个分量，其其I I1 1恰好超前于电压恰好超前于电压2 2，而另一分量，而另一分量I I2 2则与电压同相。则与电压同相。对于理想电容器对于理想电容器C C加一交加一交变电压变电压V VV V0 0exp(it)exp(it)时，充电电流为时，充电电流为 ：此充电电流正好超前于电压此充电电流正好超前于电压/2/2，相当于实际电容器中的，相当于实际电容器中的I I1 1，这部分电流不损耗功率，称为无功电流。这部分电流不损耗功率，称为无功电流。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）实际电容器中与电压同相的电流实际电容器中与电压同相的电流I I2 2，是消耗功率的，亦称之为是消耗功率的，亦称之为有功电流。有功电流。这部分电流可写成这部分电流可写成式中式中g g称为介质的电导称为介质的电导。这个电导不一定代表直流电导。这个电导不一定代表直流电导(由载流由载流子的迁移决定子的迁移决定)而是代表介质中存在而是代表介质中存在有损耗机构有损耗机构，使电容器，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。上的能量部分地消耗为热的物理过程。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）R R为介质的电阻。为介质的电阻。通过实际电容器上的电流应为：通过实际电容器上的电流应为：如电压矢量同实轴一致则损耗因子为：如电压矢量同实轴一致则损耗因子为：2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）（1 1）气体介质损耗）气体介质损耗 气体中的电场强度达到放电起始场强气体中的电场强度达到放电起始场强U Uj j时，气体中发生局部放电，这时损耗将时，气体中发生局部放电，这时损耗将急剧增大。急剧增大。气体中电场很弱时，介损很小，可做气体中电场很弱时，介损很小，可做标准电容器标准电容器2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）1 1）中性和弱极性液体介质：损耗主要由电导引起）中性和弱极性液体介质：损耗主要由电导引起 （2 2）液体介质损耗）液体介质损耗 2 2）极性液体介质的损耗与温度的关系如图所示）极性液体介质的损耗与温度的关系如图所示。在低温时在低温时，极化损耗和电导损耗，极化损耗和电导损耗都较小，随着温度的升高，液体的都较小，随着温度的升高，液体的粘度减小，偶极子转向极化增加，粘度减小，偶极子转向极化增加，电导损耗也在增大，所以总的损耗电导损耗也在增大，所以总的损耗亦上升，并在亦上升，并在t tt t1 1时达到极大值；时达到极大值；2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）在在t t1 1 t t t t2 2以后，由于以后，由于电导损耗随温度急剧上升电导损耗随温度急剧上升、极化损耗不断、极化损耗不断减小而退居次要地位，因而损耗就随温度减小而退居次要地位，因而损耗就随温度t t的上升而持续增大。的上升而持续增大。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）电源频率较小时电源频率较小时，偶极子单位时间的转向次数不多，因而极，偶极子单位时间的转向次数不多，因而极化损耗很小，主要由电导损耗引起。化损耗很小，主要由电导损耗引起。随频率增大随频率增大，极化损耗增加，极化损耗增加，增大。增大。直流下直流下只有电导损耗没极化损耗，只有电导损耗没极化损耗，G G或或Ig Ig 或或R R即可表达即可表达 交流下交流下即有电导损耗又有极化损耗，以即有电导损耗又有极化损耗，以 表达表达2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）(3)(3)固体介质损耗固体介质损耗1)1)无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃无机绝缘材料：云母、陶瓷、玻璃云母：由电导引起损耗，云母：由电导引起损耗，介质损耗小介质损耗小，耐高温性能好，是理想，耐高温性能好，是理想的电机绝缘材料，但机械性能差；的电机绝缘材料，但机械性能差；电工陶瓷：电工陶瓷：既有电导损耗，又有极化损耗既有电导损耗，又有极化损耗；玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。玻璃：电导损耗极化损耗，损耗与玻璃成分有关。2)2)有机绝缘材料有机绝缘材料:可分为非极性和极性可分为非极性和极性 非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；非极性有机电介质：只有电子式极化，损耗取决于电导；极性有机电介质：极性有机电介质：极化损耗使总损耗较大。极化损耗使总损耗较大。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）现在来考虑，在交变电场现在来考虑，在交变电场E EE E0 0 costcost作用下的作用下的介电常数介电常数。这时电位移这时电位移D D与电场与电场E E的相位不同，存在着位相差的相位不同，存在着位相差，即：，即：式中式中2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）损耗因子为：损耗因子为：对于一般的电介质，对于一般的电介质，D D0 0正比于正比于0 0，但比值，但比值D D0 00 0为频率为频率的函的函数，所以应该引进两个介电常数数，所以应该引进两个介电常数1 1()()和和2 2()()：2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）当频率趋于零时，当频率趋于零时，换言之，若介质在静电场中没有损耗换言之，若介质在静电场中没有损耗（没有电导）（没有电导）与介质中能量损耗成正比的与介质中能量损耗成正比的介电系数用复数表示：介电系数用复数表示：交变场中，交变场中，D D与与E E的关系一般表达式：的关系一般表达式：2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）由于极化强度由于极化强度P P的滞后，电位移的滞后，电位移D D在（在（u+duu+du）后仍逐渐）后仍逐渐降到零，令降到零，令D D的衰减函数为：的衰减函数为：在时间间隔在时间间隔u u到到u+duu+du中，将强度为中，将强度为E(u)E(u)的电场加于电介质，的电场加于电介质，而在此时间间隔之外，电场强度为零。而在此时间间隔之外，电场强度为零。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）由由此此可可见见，介介电电常常数数1()和和2()都都可可由由衰衰减减函函数数a(x)导导出出，并并且且它它们们不不是是互互相相独独立立的的。损损耗耗因因子子，tg21也也是是同同a(x)有有关关的的。这这就就是是说说，介介质质损损耗耗同同极极化化的的弛弛豫豫过过程程有有关关。例如，电矩转向极化中的弛豫将导致损耗。例如，电矩转向极化中的弛豫将导致损耗。最后将最后将上面两上面两式统一写为一个复数方程；式统一写为一个复数方程；a(x)a(x)为为D D的衰减函数的衰减函数 2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）在在上上节节中中引引进进了了函函数数a(t)a(t)来来描描述述外外电电场场突突然然移移去去时时，极极化化随随时时间间衰衰减减的的过过程程；同同样样地地，a(t)a(t)也也可可以以用用来来描描述述外外场突然加上时，极化随时间增长而达到平衡值的过程。场突然加上时，极化随时间增长而达到平衡值的过程。介介质质损损耗耗是是同同介介质质被被置置入入外外电电场场中中达达到到平平衡衡的的过过程程密密切切相相关关的的。实实际际上上a(t)a(t)就就是是描描述述极极化化从从一一稳稳态态过过渡渡到到另另一一稳态的弛豫过程。稳态的弛豫过程。4.4 4.4 极化弛豫极化弛豫2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）为了说明极化弛豫与介质损耗的微观联系，今就两种极化为了说明极化弛豫与介质损耗的微观联系，今就两种极化过程来看平衡的建立：过程来看平衡的建立：(1)(1)带电粒子的弹性位移所造成的极化，带电粒子的弹性位移所造成的极化，实际上也必须牵涉实际上也必须牵涉着某种耗散机构，例如粒子间的碰撞等等，因为这样才可着某种耗散机构，例如粒子间的碰撞等等，因为这样才可能建立平衡。能建立平衡。(2)(2)离子有着两个以上的平衡位置，从一个到另一个平衡位离子有着两个以上的平衡位置，从一个到另一个平衡位置的过渡造成极化。置的过渡造成极化。这过程自然依赖于热起伏，与非线性这过程自然依赖于热起伏，与非线性振动有关，这就导致损耗。振动有关，这就导致损耗。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）考虑第考虑第(2)(2)种极化过程。种极化过程。以离子晶体为例，先说明一下晶格缺陷和电矩转向关系。以离子晶体为例，先说明一下晶格缺陷和电矩转向关系。设晶体中存在着正离子设晶体中存在着正离子M M+的空位口，这种空位相当于一个负的空位口，这种空位相当于一个负电荷。为了保持电中性，晶格中自然会出现电荷的某种补电荷。为了保持电中性，晶格中自然会出现电荷的某种补偿机构。例如，在偿机构。例如，在M M+空位的周围出现空位的周围出现M M+，M M+的空位和的空位和M M+就就可构成电矩。可构成电矩。由于由于M M+的空位口带负电，当施外场于晶体后，的空位口带负电，当施外场于晶体后，它将逆外场它将逆外场E E的方向而排列。的方向而排列。在在M M+位置上的离子位置上的离子M M+易位到原易位到原来的口上，亦即正离子空位从位置来的口上，亦即正离子空位从位置B B过渡到位置过渡到位置A A。这样，。这样，电矩可以基本上转到和外场平行的方向。电矩可以基本上转到和外场平行的方向。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）图图4.5空位的两个平衡位置，导致电矩的转向空位的两个平衡位置，导致电矩的转向2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）在趋于和外场平行的转动中，电矩必须克服势垒。由在趋于和外场平行的转动中，电矩必须克服势垒。由于热起伏，电矩克服势垒是可能的。于热起伏，电矩克服势垒是可能的。电矩从一平衡态过渡到另一平衡态之前必须等待若干电矩从一平衡态过渡到另一平衡态之前必须等待若干时间；换言之，由于电矩在两个或两个以上的平衡位置转时间；换言之，由于电矩在两个或两个以上的平衡位置转动引起的极化是一个弛豫过程。动引起的极化是一个弛豫过程。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）显然，弛豫时间显然，弛豫时间同温度有关。同温度有关。对于单一的弛豫时间对于单一的弛豫时间，上面引进的函数，上面引进的函数a(t)a(t)可以写成可以写成2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）图图4.6施加外电场后势垒的变化施加外电场后势垒的变化2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）现在来求电矩在两个平衡位置现在来求电矩在两个平衡位置A A、B B间过渡的弛豫时间间过渡的弛豫时间，设，设A A、B B间的势垒为间的势垒为V V，以，以v v0 0代表离子的振动频率。那么，电矩代表离子的振动频率。那么，电矩(即正离子空位即正离子空位)从从A A向向B(B(或从或从B B向向A)A)过渡的几率为过渡的几率为:2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）令令r r代代表表ABAB间间距距，则则当当加加上上电电场场E E后后，A A处处的的势势能能比比B B处处降降低低了了eEreEr。电电矩矩由由A A向向B B过过渡渡的的几几率率变变为为P PABAB，而而由由B B向向A A的的过过渡渡几几率率P PBABA则保持不变。因而，电矩处于平衡位置则保持不变。因而，电矩处于平衡位置A A的几率就增加了。的几率就增加了。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）于是，驰豫时间为于是，驰豫时间为设在设在t t0 0时，时，N NA AN NB BN N2 2，且设在，且设在t=0t=0时加上外电场。时加上外电场。在此条件下，在此条件下，研究极化的弛豫过程，可以提供关于物质结构的知识。研究极化的弛豫过程，可以提供关于物质结构的知识。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）在在本本节节中中将将求求复复介介电电常常数数()同同频频率率和和弛弛豫豫时时间间的的关关系系。这这里里限限于于考考虑虑只只具具有有单单一一的的弛弛豫豫时时间间的的极极化化过过程程；换言之，衰减函数换言之，衰减函数a(t)a(t)具有形式具有形式:6.5 6.5 动态介电常数动态介电常数在实际的固态电介质中，弛豫时间往往有好多个并且分布在不在实际的固态电介质中，弛豫时间往往有好多个并且分布在不同的数量级范围。这里所考虑的情况虽过于简化但是结果对于同的数量级范围。这里所考虑的情况虽过于简化但是结果对于实际的问题仍具有指导意义并且所采用的方法也是很有用处的。实际的问题仍具有指导意义并且所采用的方法也是很有用处的。2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）德拜方程德拜方程:而损耗因子为而损耗因子为:2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）图图4.7 1（）和）和 2（）同）同 的关系的关系2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）当当1时，时，2()(介质损耗介质损耗)具有极大值。具有极大值。当频率当频率甚小于甚小于1时，时，1()趋于静态介电常数趋于静态介电常数l这时介质没这时介质没有损耗。有损耗。如频率甚大于如频率甚大于1，则，则 1()趋于趋于之值，之值，即为电子位即为电子位移极化所对应的光频介电常数。移极化所对应的光频介电常数。不同频率不同频率下分析：下分析：2013年春年春中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）电介质迷思电介质迷思-唯美的唯美的DebyeDebye方程方程 电介质之最基本物理概念乃极化，即介质中正负电荷中心电介质之最基本物理概念乃极化，即介质中正负电荷中心发生偏移的过程。极化状态的建立或改变是一个渐变的过程，发生偏移的过程。极化状态的建立或改变是一个渐变的过程，需要一定的时间才能从一个平衡状态达到另一平衡状态，这需要一定的时间才能从一个平衡状态达到另一平衡状态，这种渐变过程便是介电弛豫。其本质上反映了极化过程中微观种渐变过程便是介电弛豫。其本质上反映了极化过程中微观粒子之间的能量交换以及相关能量损耗。若引入复介电常数粒子之间的能量交换以及相关能量损耗。若引入复介电常数的概念，则其实部反映了电介质在极化过程中储存能量的能的概念，则其实部反映了电介质在极化过程中储存能量的能力，而其虚部则描述了极化过程中的能量耗散。力，而其虚部则描述了极化过程中的能量耗散。