电子位移极化
电介质物理_徐卓、李盛涛_第七讲电子弹性位移极化讲解
1 ( cos2
2
2 )E2
转矩：
M
0
E
1 2
E
M
0 E sin
1 sin
2
cosE 2
各向异性的偶极分子
当分子处于平衡位置时：
dW
d
0E sin E cosE sin
0
,0
为平衡位置
d 2W
d 2
2
2
E
2 2
)
(
1 2
1
E1
1 2
2
E2
)
1 2
Байду номын сангаас
(1
c os
2
sin )E
1 2
E
1 2
(
c os2
2 )E 2
各向异性的偶极分子
偶极分子的固有偶极矩 0，则分子的势能
W
0
E
1
E
2
0 E cos
Ee
称微观极化率（Polarizability）
电介质极化机制
一个粒子对极化率的贡献可以有不同的原因：
1. 电子云畸变引起的负电荷中心位移产生感应电矩，
称电子位移极化，其极化率 e
2. 正负离子中心发生相对位移，发生感应电矩，称离
子位移极化，其极化率 i
3. 固有电偶极矩沿外电场方向转向称取向极化，其极
4. 模型估算和实际测量（作业思考）
电子式极化——精选推荐
1、电子式极化：在外电场作用时，电子运动轨道发生了变形，并且与原子核间发生了相对位移，正电荷作用中心不再重合，这种由电子发生相对位移形成的极化称为电子式极化。
2、离子式极化：在有外电场作用时，正、负离子沿电场向相反的方向发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质对外呈现出极性，这种由离子的位移形成的极化称为离子式极化、3、单相触电：人体接触三相电网中带电体中的某一相时，电流通过人体流入大地4、两相触电：当人体同时接触带电设备或线路中的两相导体时，电流从一相导体经人体流入另一相导体，构成闭合回路5、接触电压：指人触及漏电设备的外壳，加于人手与脚之间电位差6、跨步电压：指人在有电位分布的故障区域内行走时，其两脚之间呈现出电位差7、电击：指电流流过人体内部造成人体内部器官的伤害8、电伤：指由于电流的热效应、化学效应和机械效应对人体的外表造成的局部伤害9、保护接地：是将一切正常时不带电而在绝缘损坏时可能带电的金属部分与独立的接地装置相连，从而防止工作人员触及时发生触电事故10.内部过电压：在电力系统内部，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生变化，由此而引起的电力系统内部电网中电磁能量转化或传递的过渡过程中，将在系统中出现过电压11.直击雷：当雷云通过线路或电气设备放电时称为直击雷12.感应雷：当雷落在输电线附近时，会在输电线上感应出过电压，此过电压沿着输电线向两端传出，落雷点离导线越近，则感应过电压越高13.倒闸操作：电气设备由一种状态转换到另一种状态，或改变电气一次系统运行方式所进行的一系列操作14.物理性爆炸：是由于物质的物理变化如温度、压力、体积等的变化引起的爆炸15.化学性爆炸：物质在短时间完成化学反应，形成其他物质，产生高温高压的气体而引起的爆炸16.基本安全用电：指那些绝缘强度能长期承受的工作电压，并且在该电压等级产生内部过电压时能保证工作人员安全的用具17.电烙印：在人体不被电击的情况下，在皮肤表面留下与带电体接触时形状相似的肿块痕迹18.亲水性电介质：极性电介质的表面与水分子之间的附着力远大于水分子的内聚力，就很容易吸附水分，而且吸附的水分湿润整个表面，形成连续水膜19.憎水性电介质：不含极性分子的电介质表面与水分子之间的附着力小于水分子的内聚力，不容易吸附水分，只在表面形成分散孤立的水珠，不构成连续的水膜20.伸长接地体：在土壤电阻率较高的岩石地区，为了减小接地电阻，有时需要加大接地体的尺寸，主要是增加接地体的长度21.外部过电压：指雷电引起的电力系统过电压，既雷云放电时电气设备由于外部的影响产生过电压22.雷电侵入波：沿着架空线路侵入变配所或客户的雷电波23.感知电流：是人体能够感觉，但不遭受伤害的电流24.摆脱电流：是人体触电后，不需要任何外来帮助的情况下，能够自主摆脱的最大电流分析题1.简述触电事故发生的规律答：1）触电事故的发生与季节有关2）触电事故多发生在低压电气设备上3）触电事故多发生在缺乏电气基本知识的人员身上4）触电事故与工作环境和生产性质有一定的关系5）放电斑点2.简述电子式极化及其特点答：1）极化过程所需的时间极短2）极化过程中没有能量损耗3）温度对极化过程影响很小4）极化过程与频率无关3.简述变电所直击雷防护的措施答：采用避雷针或避雷线4.简述氧化锌避雷器的优点答：1）无间隙2）无续流3）通流容量大，氧化锌避雷器通流容量大，耐操作波的能力强，故可用来限制内过电压，也可使用于直流输电系统4）降低电气设备所受到的过电压5.典型的电气误操作及防治误操作的组织措施答：误操作：1）带负载拉、合隔离开关2）带地线合隔离开关3）带电挂接电线4）误拉、合断路器5）误入带电间隔组织措施：操作命令的操作命令复诵制度；操作票制度；操作监护制度；操作票管理制度6.保证电气工作安全的组织措施有哪些答：1）工作票制度2）工作许可制度3）工作监护制度4）工作间断、转移和终结制度7.简述雷云对地的放电过程答：由于主放电过程中高速运动时的强烈摩擦以及复合等原因，使通道发出耀眼的强光这就是通常所见到的雷闪，又由于通道突然受热和冷却而形成的猛烈膨胀和压缩，以及在高压放电火花的作用下，使水喝空气分解，产生瓦斯爆炸。
电介质的极化规律
电介质的极化规律
1.电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。
这种极化称为电子位移极化（也称电子形变极化）。
2.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；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。
电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。
理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。
一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。
在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。
这些极化电荷改变原来的电场。
充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。
《高电压技术》 —— 电介质的极化
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象称为电介质的极化。
或者表示为，无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，电介质整体上对外没有极性，在外电场作用下，电介质对外呈现极性的过程。
电介质极化的基本类型包括：电子位移极化（电子式）、离子位移极化（离子式）、转向极化（偶极子式）、空间电荷极化（夹层式）四种类型。
1.电子位移极化（电子式）在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道变形而出现感应电矩。
2.离子位移极化（离子式）在由离子键结合成的介质内，在外电场的作用下，除了各离子内部产生电子式极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化称为离子式极化。
当没有外电场时，各正负离子对构成的偶极距彼此相消，合成电距为零；加上外电场后，所有的正负离子对构成的偶极距不再完全相消，形成一定的合成电距。
完成离子式极化所需时间约为10-13～10-12 s，有极微量的能量损耗，与电源频率几乎无关，温度升高时，电介质体积膨胀使离子间的距离增大，离子间相互作用的弹性力减弱，故离子极化率随温度的升高而略有增大。
3.转向极化（偶极子式）在外电场的作用下，极性分子的偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，而显出极性。
偶极子式极化的建立需要较长时间，约为10-10～10-2 s，甚至更长。
有能量损耗，与电源频率和周围温度有关。
当电场交变频率提高时，极化可能跟不上电场的变化，从而使极化率减小。
4.空间电荷极化（夹层式）夹层式极化是最常见的一种空间电荷极化形式。
由多种介质组成的绝缘结构，在加上外电场后带电质点在介质分界面上堆积，造成电荷在介质空间新的分布，产生电矩。
如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。
夹层式极化过程是缓慢的，它的完成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时甚至更长。
因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
高频时，离子来不及移动，就很少有这种极化现象，故只有在低频时才有意义。
1.08 电介质极化的机理(1)
3）其它计算αe模型
单原子模型：
①球状原子模型 ②圆周轨道模型 ③介质球模型
①双原子分子的简化模型 非球状分子模型：
②回转椭球分子模型
讨论 单原子模型： 球状原子模型 ①同族元素随原子系数增加而增大。
讨论
讨论 球状原子模型:
②同一周期内原子半径与电子位移极化率的变化情况。
2)电子位移极化率αe
半径为x球内电子云对原子 核的库仑引力为？
计算
- - +-
-
参考均匀带 电球壳电场
2)电子位移极化率αe 原子核受到有效电场Ei的电场力为： 原子核与电子云平衡时有：
即:
2)电子位移极化率αe
结果
电子位移极化率：
意义： ①已知原子半径a,就可计算出αe； ②电子位移极化率αe与温度基本无关。
1)电子位移极化
以单原子为例，如右图所示:
原理
Ei x
μe
当Ei=0,电子云中心与原子核重合， μ示意图
当Ei≠0,电子云中心与原子核距离为x， 距离x与外电场？？
1)电子位移极化
特点
特点：
①极化μe不是原子固有，在外电场Ei作用下感应产生；
②所有介质在电场作用下均会产生电子极化；
电介质物理基础
第一章 电介质的极化
第五节 电介质极化的机理（1） 曾敏
概述
极化机理
根据电介质的极化微观机理，极化可分为：
①电子位移极化αe ②离子位移极化αa ③偶极子转向极化αd ④热离子松弛极化αT
⑤夹层（界面）极化
说明：在实际介质中，往往是多种极化并存！
一.电子位移极化及电子极化率αe
Ei=0
高电压复习总结
第一章1一般的，电介质极化分为以下四种基本类型：电子位移极化、离子位移极化、空间电荷极化、转向极化2. 极化的概念：在外电场作用下，电介质的表面出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。
3. 极化的形式：电子位移极化：由于电子发生相对位移而发生的极化。
时间短，弹性极化，无能量损耗离子位移极化：时间短，弹性极化，无能量损耗转向极化：时间较长，非弹性极化，有能量损耗。
空间电荷极化特点：时间很长，非弹性极化，有能量损耗。
第二章1.气体中带电质点的产生方式有：电子或正离子与气体分子的撞击电离、各种光辐射光电离和，高温下气体中的热能热电离和表面电离。
2．气体中带电质点的消失： 1 场力的作用流入电极并中和电量。
2 带电质点的扩散。
3 带电质点的复合1、自持放电：当外施电压达到某一临界值U0后，不依靠外界电离因素，依靠外施电压就能维持气体放电，称为自持放电2、汤逊理论：汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因。
二次电子主要来源于正离子碰撞阴极，而阴极逸出电子。
二次电子的出现是气体自持放电的必要条件。
二次电子能否接替起始电子的作用是气体放电的判据。
汤逊理论主要用于解释短气隙、低气压的气体放电。
3、流注理论：流注理论认为气体放电的必要条件是电子崩达到某一程度后，电子崩产生的空间电荷使原有电场发生畸变，大大加强崩头和崩尾处的电场。
另一方面气隙间正负电荷密度大，复合作用频繁，复合后的光子在如此强的电场中很容易形成产生新的光电离的辐射源，二次电子主要来源于光电离4、请问汤逊理论的实质是什么，汤逊理论与流注理论在解释气体放电方面有什么区别？1）汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因。
二次电子主要来源于正离子碰撞阴极，而阴极逸出电子。
二次电子的出现是气体自持放电的必要条件。
二次电子能否接替起始电子的作用是气体放电的判据。
流注理论认为气体放电的必要条件是电子崩达到某一程度后，电子崩产生的空间电荷使原有电场发生畸变，大大加强崩头和崩尾处的电场。
电介质物理及其应用-极化和介损部分
3.介质极化的宏观参数—介电常数
电介质的介电常数(εr)是描述电介质极化的宏观参数.
r
D
解： P cos
00
P
900 0
1800 P
0E
D、E——分别为电介质中电感应强度、宏观电场强度 介电常数的意义：用平板电容器为例进行说明
极化前
极化后
Dx = qEi / k
q Ei a Ei k
2
x
4 0 a 3 Ei Ze
a
Ei
qx
e 4 0 a 3
q2 k
e Zex 4 0 a 3 Ei
异性离子的相互作用势能为：
u x q2 b 4 0 x 4 0 x n
n 1 q 解得： k 3
4 0 a
∴离子极化率为： a E
、
i
q 2 4 0 a 3 k n 1
偶极分子位能大小：
u ql E 0 Ei 0 Ei cos
离子中心距离a可以认为是正、负离子的半径之和
a
4 0 r r n 1
α—极化率，单位是Fm2，
P Nμ i N E i
Cm Cm F m2 V/m V
2
所以极化强度P又可表示为：
P 0 r 1 E N Ei
⑤夹层（界面）极化 说明：在实际介质中，往往是多种机化并存！
r 1
N E i (克劳休斯Clausius 方程) 0E
建立时间约为10-12~10-13s,当交变电场的 特点： 频率f<红外光频率时，离子极化来得及建立。
电介质的极化和电位移矢量
各向同性的电介质中，P与电场强度成正比，即
P e0E
e ( 0)—— 电介质的电极化率
3. 极化电荷 由于极化，正、负电荷发生位移，在电介质内部可能出现净
余的极化电荷分布，同时在电介质的表面上有面分布的极化电荷。
无极分子
有极分子
有外加电场
2. 极化强度矢量 P(C m2 )
•
极化强度矢量
P
是描述介质极化程
度的物理量，定义为
p pi
P
np
电介质的极化 电位移矢量
1. 电介质的极化现象 电介质的分子分为无极分
子和有极分子。 在电场作用下，介质中无
极分子的束缚电荷发生位移， 有极分子的固有电偶极矩的取
无极分子
有极分子
无外加电场
向趋于电场方向，这种现象称 为电介质的极化。
无极分子的极化称为位移 极化，有极分子的极化称为取 向极化。
E
P lim pi np
ΔV 0 V p ql —— 分子的平均电偶极矩
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真空
E
+ +
+
+
自由电荷
+ － 偶极子
束缚电荷
电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介
电强度。
目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率
范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。
无机材料与有机塑料比较：
有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下， 塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可 缺少的部分。
无机材料物理性能
第十九讲
2018年10月4日
第六章
概述
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。
通常是指电阻率大于1010· cm的一类在电场中以感应 而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。
陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、
电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如： 具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的 电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用 前景。
+ + + + + + + + －－－
E1
E3
+++
E2
E外
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球 外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介 质小得多。
介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分： 球外介质的作用E1 ＋E2和球内介质的作用E3
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
• P与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
极化的物理量
宏观电场E
一、是外加电场； 二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和
原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
克劳修斯-莫索蒂方程 外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。 1 . 宏观电场： 即极板上的所有电荷所产生）
构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
－ － － － － － － E1 + + + + + + + 外加电场E外 + + +
－
+
－
－
－
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3 周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。 对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。 对于固体介质，周围介质 的极化作用对作用于特定 质点上的局部电场有影响。
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电 荷间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩 的方向与外电场的方向一致。
介质的极化 极化现象 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－ － － － － － － + － + － + － + + + － － － + － + － + － + + + － + － + － + + －
球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外 的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹 场） E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。 E1的计算：
对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场： 由 P= Q1 /A= oE1
得： E1 = P / o
洛伦兹场E2的计算：
rsin P
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
极化的物理量
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。表征材料的 极化能力 ( 法. 米2)
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
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。或束缚电荷的面密度。 ( 库. 米2)
极化的物理量
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其 值由晶体结构决定，已证明，球体中具 有立方对称的参考点位置，如果所有原 子都可以用平行的点型偶极子来代替， 则E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据 得
D= o E+P P =D－ o E=（ 1－ o ） E = o （ r－ 1） E 由 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o =E+ o （ r－ 1） /3o 得 Eloc=（ r +2）E/3 设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又 有 P= n =nEloc 得 （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） 上式为克劳修斯-莫索蒂方程
－
O
d
r
+
空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF： dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o
无机材料的介电性能
电介质指在电场作用下，能建立极化的一切 物质 介质的极化指电介质在电场作用下产生感应 电荷的现象
0真空介电常数8.8510-12 介质的介电常数 r相对介电常数
介质的极化
极化现象及其物理量
极化就是介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷重心的分离。
由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q) 所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示