电工材料及应用(J1)课件.ppt

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1、电工材料及应用臧春艳Chap5电介质与绝缘材料绝缘材料是指电导率较低(一般在10-9~10-10s/m之间),用来限制电流使其按一定途径流动的材料(如在电机,变压器,电器,电缆中的绝缘);另外,还有利用其”介电”特性建立电场以贮存电能的材料(如电容器).电介质是指能在电场中极化的材料.而电介质多数是优良的绝缘材料,故两者经常通用.电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘体和某些处于特殊状态下的半导体（如载流子耗尽状态下的半导体）材料的介电性能是电介质的主要特征，它以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和效应。电极化中的电荷主要指那些束缚在原子、分子、

2、晶格、缺陷位置或局部区域内的束缚电荷。本章介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能,并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表现出不同的电极化行为，并进行决定着电介质材料的各种性能。§0电介质分类电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为:中性电介质偶极电介质离子型电介质§1介质极化的基本概念电偶极矩的单位为C.m(库仑.米).在分子物理中，常用德拜(D)为单位，1D等于10-18cgs(静电单位)，相当于3.33×10-28C.cm。H2O的电偶极矩为1.85D,HCl的电偶极矩为1.08D.一、定义及有关物理量1、电偶极矩：由大小相

3、等、符号相反、彼此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，偶极子的大小和方向常用电偶极矩μ来表示(方向由负电荷指向正电荷)2、极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，用P表示在电介质中，由电磁学理论有3、电介质的极化率χ和相对介电常数ε(库/米2)其中因此，在描述物质的介电性质时，使用相对介电常数ε和宏观极化率χ在物理上等价的。二、电极化的微观机构由物质的组成可以知道，物质的宏观电极化是组成物质的微观粒子在外电场作用下发生微观电极化的结果，通常，微观粒子在外电场作用下而产生的电矩与场强存在如下关系：式中α称为微观极化率。粒子的微观极化率可能来自多

4、种原因，一般情况包括电子云位移极化（其极化率用αe表示）、离子位移极化（其极化率用αi表示）、偶极子转向极化（其极化率用αd表示）等1、电子云位移极化：没有受电场作用时，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。受电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程)，中性分子则转化为偶极子，这种过程就是电子云位移极化。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。（1）电子云位移极化率：理论计算值取决于所采用的粒子模型，由点状核球状负电壳体模型或圆周轨道模型(玻尔模型)计算出的电子极化率为：（2）电子云位移极化的特点：a)

5、形成极化所需时间极短(因电子质量极小)，约为10-15ｓ，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；b)具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。c)温度对电子式极化影响不大。在数量级上上述各种情况均相同，其值都在10-40F·m2，与实验结果相吻合。由量子力学计算给出的电子极化率为2、离子位移极化：离子晶体中，无电场作用时，离子处在正常格点位置并对外保持电中性，但在电场作用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化.离子位移极化主要存在于离子化合物材料中，

6、如云母、陶瓷材料等。（1）离子位移极化率：以NaCl为例，在外电场E作用下，正、负离子相对自己原来位置发生△r大小位移，在△r不大时，离子达到平衡的条件是电场作用力与离子的恢复力相等，即（2）离子位移极化的特点：a)形成极化所需时间很短，约为10-13ｓ。在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；b)属弹性极化，能量损耗很小。c)离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大，故ε一般具有正的温度系数，即随温度升高，出现极化程度增强趋势的特征。3、偶极子转向极化：极性电介质中，

7、存在具有固有偶极矩μ0的偶极子。无外电场时，偶极子排列混乱，使∑μi=0；加外电场时，偶极转向，成定向排列，从而使电介质极化.（1）偶极子极化率：具有固有电偶极矩μ0的偶极子的转向极化率为（2）偶极子极化的特点：a)极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。b)形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，故其ε与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其ε减小。c)温度对极性介质的ε有很大的影响。4、空间电荷极化：空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内