介质的损耗与击穿杨正文

设低频或静态时的相对介电常数为ε(0)，称为静态相对介电 常数；当频率ω→∞时，相对介电常数εr’ →ε∞ （ ε∞代表光频相 对介电常数）。则复介电常数为：
r10 i
这三式称 为德拜方
可分为实部和虚部，即：
r
10 22
0程，它描 述了介电 常数 Nhomakorabea频 率ω的关 系。
r
122
tgδεr [ε(0)ε]ωτ εr ε(0)εω2τ2
它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。 它是导致电介质发生热击穿的根源。
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介质损耗
损耗的形式
电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。
实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种 条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电 压下的电导损耗是很小的，
极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子
②大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主 晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。
③含有可变价离子的陶瓷材料，如含钛陶瓷，往往具有显著的 电子松弛极化损耗。
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降低材料的介质损耗的方法
（1）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶 相。
（2）改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固 溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损 耗显著增大。
εr，tgδ，p与ω的关系
tgδεr [ε(0)ε]ωτ εr ε(0)εω2τ2
影响介质损耗的因素
1、频率的影响
当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅 由位移极化决定，εr趋于最小值。 由于ωτ >>1，此时tgδ随ω↑而↓。 ω→∞时，tgδ→0。
tgδ达最大值时ωm的值由下式求出:
εr，tgδ，p与ω的关系
的极化损耗。
游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放
电引起的功率损耗称为游离损耗。
介质损耗的表示
当容量为C0=0S/d的平板电容器上 加一交变电压U=U0eiwt。则：
1、电容器极板间为真空介质时， 电容上的电流为：
I0 ddQtiC0U 与外电压相差90o的相位
2、电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：
②在玻璃电导中出现的“双碱效应”（中和效应）和“压碱效 应”（压抑效应）在玻璃的介质损耗方面也同样存在，即当碱 离子的总浓度不变时，由两种碱性氧化物组成的玻璃，tgδ大 大降低，而且有一最佳的比值。
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玻璃的损耗
当两种碱同时存在时，tgδ 总是降低，而最佳比值约 为等分子比。
这可能是两种碱性氧化物 加入后，在玻璃中形成微 晶结构，玻璃由不同结构 的微晶所组成。
（3）固溶体 固溶体或多或少都有各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较
大的损耗，并且有可能在某一比例时达到很大的数值，远远 超过两种原始组分的损耗。
例如ZrO2和MgO的原始性能都很好，但将两者混合烧结， MgO溶进ZrO2中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗 大大增加，当MgO含量约为25mol％时，损耗有极大值。
Na2O－K2O－B2O3玻璃 的tgδ与组成的关系
陶瓷材料的损耗
主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。
表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大 的损耗。
①以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源 于玻璃相。
为了改善某些陶瓷的工艺性能，往往在配方中引入一些易 熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石 瓷、尖晶石瓷随粘土含量的增大，其损耗也增大。因而一般高 频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。
电离损耗
（1）电离损耗 a)定义：含有气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体 电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成的 损耗。
所以电离损耗主要发生在含有气相的材料中。这种损耗可 能导致介质的热破坏和化学破坏。 b)计算式：电离损耗功率可以用下式近似计算：
PW=Aω(U-U0)2 式中A为常数，ω为频率，U为外施电压。 U0为气体的电离电 压。 在U ＞ U0时才适用，此时，当U ＞ U0 ，tgδ剧烈增大。
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结构损耗
a)定义：在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相 关的介质损耗称为结构损耗。
b)特征
①结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大， 但tgδ则和频率无关。
②结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。但是当 某些原因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使 它的内部结构变松散了，会使结构损耗大为提高。
结构紧密的离子晶体在外电场作用下很难发生离子松弛极 化，只有电子式和离子式的弹性位移极化。 ②损耗
无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起。 在常温下热缺陷很少，因而损耗也很小。
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③介质损耗功率与频率的关系
结构紧密的晶体的介质损耗功率与频率无关。tgδ随频率的升 高而降低。
因此以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如 刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tgδ随温 度的变化呈现出电导损耗的特征。
（2）结构不紧密的离子晶体：
较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的 活动范围扩大。
在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运 动,产生电导损耗。
弱联系离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子松 弛，出现极化损耗。
损耗较大，由这类晶体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频， 只能应用于低频。
影响介质损耗的因素
3.湿度的影响
介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的 增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化 损耗增加，而使tgδ增大。 对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响 特别突出，如，纸内水分含量从4％增加到 10％时，其tgδ可增加100倍。
无机介质的损耗
▪ 电导损耗 ▪ 松弛极化损耗 ▪ 电离损耗 ▪ 结构损耗
当温度很低时,τ较大，由德拜 关系式可知，εr较小，tgδ也较 小。此时，由于ω2τ2>>1,由德 拜可得
随温度↑，τ↓，所以εr、tgδ↑
εr、tgδ、P与T的关系
tgδεr [ε(0)ε]ωτ εr ε(0)εω2τ2
2、温度的影响
当温度较高时，τ较小，此时ω2τ2<<1
tg [0] 0 2
随温度↑，τ↓，所以 tgδ ↓。这时 电导上升并不明显，主要决定于 极化过程
εr、tgδ、P与T的关系
2、温度的影响
当温度继续升高，达到很大值时， 离子热运动能量很大，离子在电 场作用下的定向迁移受到热运动 的阻碍，因而极化减弱，εr↓。此 时电导损耗剧烈↑，tgδ也随温度 ↑而急剧上升↑。
εr、tgδ、P与T的关系
m
1
0
tgδεr [ε(0)ε]ωτ εr ε(0)εω2τ2
影响介质损耗的因素
1、频率的影响
tgδ的最大值主要由松弛过程 决定。如果介质电导显著变 大，则tgδ的最大值变得平坦， 最后在很大的电导下，tgδ无 最大值，主要表现为电导损 耗特征：tgδ与ω成反
不同电导的介质tgδ与ω的关系
2、温度的影响
影响介质损耗的因素
1、频率的影响
ω→0时，此时不存在极化损 耗,主要由电导损耗引起。 tgδ=δ/ωε，则当ω→0时， tgδ→∞。随着ω升高，tgδ↓。
随ω↑，松弛极化在某一频率 开始跟不上外电场的变化， 松弛极化对介电常数的贡献 逐渐减小，因而εr随ω↑而↓。 在这一频率范围内，由于ωτ <<1，故tgδ随ω↑而↑。
③结构损耗 由于网络松驰变形而产生变形
损耗，在较低温度下产生作用。
玻璃的tgδ与温度的关系 1、结构损耗； 2、松弛损耗 3、电导损耗； 4、总 损 耗
（2）玻璃的损耗 ①一般纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分 子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系弱的松弛离子。
在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且 损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。这是因为碱性氧化 物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此， 玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可 能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大。
I =ddQt=iCU=rI0
但与外电压仍相差90°相位。没有损耗。
介质损耗的表示
3、电容器极板间为弱导电性或极性，电容上的电流为：
I0iC G U
G是由自由电荷产生的纯电导，G=S/d， C=S/d
如果电荷的运动是自由的， 则G实际上与外电压额率 无关；如果这些电荷是被 符号相反的电荷所束缚， 如振动偶极子的情况，G 为频率的函数。
（一） 固体电介质的热击穿
1.热击穿
电介质在电场作用下，由于漏导电流、损耗或气隙局 部放电产生热量 ，逐渐升温，积热增多，达到一定温度， 即行开裂、玻化或熔化，导致绝缘材料性能破坏的现象。
离子位移极化所需时间大 约为10-12～10-13秒 。不 以热的形式耗散能量，不 导致介电损耗。
介质损耗
损耗的形式 介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系 无机介质的损耗
介质损耗
介质损耗定义 电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损
耗功率，简称电介质损耗。 或：电场作用下的能量损耗，由电能转变为其
因此一般材料：在高温、低频下，主要为电导损耗；
在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；
在高频、低温下，主要为结构损耗。
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离子晶体的损耗
离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。 （1）结构紧密的晶体：如α-Al2O3、镁橄榄石晶体，
晶体的离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强 度比较大。 ①极化
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玻璃的损耗
复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分： 电导损耗、松弛损耗和结构损耗。
哪一种损耗占优势，决定于外界 因素―温度和外加电压的频率。
高频和高温下，电导损耗占优 势；
在高频下，主要的是由联系弱
的离子在有限范围内的移动造成 的松弛损耗；
在高频和低温下，主要是结构
损耗，其损耗机理目前还不清楚， 大概与结构的紧密程度有关。
介质的损耗与击穿杨正文
离子位移极化 —— Ionic Polarization
电介质中的正负离 子在电场作用下发 生可逆的弹性位移。 正离子沿电场方向 移动，负离子沿反 电场方向移动。由 此形成的极化称为 离子位移极化。
离子在电场作用下偏移平衡 位置的移动相当于形成一个 感生偶极矩。
m inducedαiEi
(3)尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应” 和“压抑效应”，以降低玻璃相的损耗。 (4）防止产生多晶转变，多晶转变时晶格缺陷多，电性能下 降，损耗增加。 (5）注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成 过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。 (6)控制好最终烧结温度，使产品“正烧”，防止“生烧”和 “过烧”以减少气孔率。 此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。
j i E
iE ——位移电流密度 E ——传导电流密度
介质损耗的表示
由j E定义复电导 率
i
由j iE定义复介电常 数
i
i
定义损 tg 耗 电 损 角容 耗 项 项
实际为：i
tg
介质弛豫和德拜方程
1）介质弛豫：在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状 态的过程叫介质弛豫。
介质在交变电场中通常发生弛豫现象，极化的弛豫。在 介质上加一电场，由于极化过程不是瞬时的，极化包括两项：
玻璃的tgδ与温度的关系 1、结构损耗； 2、松弛损耗 3、电导损耗； 4、总 损 耗
①电导损耗
网络外离子沿电场方向移动而
产生，当ω高时，离子沿电场方 向来不及移动，使tgδ↓，随T↑， 电导↑， tgδ↑
②松驰损耗 网络外离子只能在一定势
叠间产生移动，即随着电场作 微小运动。随着T↑ tgδ有极大 值
P(t) = P0 + P1(t)
P0代表瞬时建立的极化(位移极化)， P1代表松弛极化 P1(t)渐渐达到一稳定值。这一滞后 通常是由偶极子极化和空间电荷极 化所致。
当时间足够长时， P1(t)→ P 1 ∞ ， 而总极化P(t) → P∞ 。
介质的弛豫过程 11
2）德拜(Debye)方程
频率对在电介质中不同的驰豫现象有关键性的影响。
介电强度
一、介质在电场中的破坏 1.介质的击穿:当电场强度超过某一临界值时，介质由介电
状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫 介质的击穿。 2.击穿电场强度:介质的击穿时，相应的临界电场强度称为 介电强度，或称为击穿电场强度。 3.击穿类型:热击穿，电击穿，局部放电击穿。
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二、固体电介质的击穿