电介质的极化
《高电压技术系列》--电介质的极化、电导和损耗
电介质放入极板间,就要受到电场的作用,介质原
子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生 位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而 不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面 呈现出与极板上电荷相反的电的极性来，即靠近正极 板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正 的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚 电荷。正由于靠近极板两表面出现束缚电荷，根据异 极性电荷相吸的规律，要从电源再吸收等量的异极性 电荷Q′到极板上，这就导致Q=Q0+ Q′＞Q0。
用于电容器的绝缘材料，显然希望选用r 大的电介质，因 为这样可使电容的体积减小和重量减轻。但其他电气设备中往
往希望选用 r 较小的电介质，这是因为较大的 r往往和较大的 电导率相联系，因而介质损耗也较大。采用 r 较小的绝缘材料
还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
在高压电气设备中常常将几种绝缘材料组合在一起使用， 这时应注意各种材料的r 值之间的配合，因为在工频交流电压 和冲击电压下，串联的多层电介质中的电场强度分布与各层电 介质的r 成反比。
四、空间电荷极化
上述三种极化都是由带电质点的弹性位移或转向形成的， 而空间电荷极化的机理与上述不同，它是带电质点（电子或正、 负离子）的移动形成的。最典型的空间电荷极化是夹层极化。
当开关S和上，两电介质 都发生极化。由于电介 质不同，极化程度也不 同，故交界面处积聚的 异号电荷不相等。如： 介质Ⅰ下部边缘处积聚 的正电荷比介质Ⅱ上部 边缘处积聚的负电荷多 的话，则在两介质交界 面处显示出正的电极性 来。这种使夹层电介质 分界面上出现电荷积聚 的过程称为夹层极化。
最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化、偶极子极 化和空间电荷极化等。
电介质的极化
《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。
§33 电介质的极化 §34 极化电荷
3. 电极化强度（Electric Polarization）
（1） 电极化强度矢量 单位体积内分子电矩的矢量和:
P
pi
V
总电场 （2） 空间任一点总电场
束缚电荷电场
E E0 E
极化率
（3）电极化强度与总电场的关系 P
自 场0 由E电荷电
（4）极化率与相对介电常数的关系 r 1
极化有何规律？
P
q'( ', ')
E E0 E'
描述极 化现象
三者从不同角度定量地描述同一物理现象——极化
三者之间必有联系，这些关系——电介质极化遵循 的规律
§3.4 极化电荷（ polarization charge)
电场的作用是电介质极化的原因，极化则反过来 对电场造成影响，这种影响之所以发生是由于电介质 在极化后出现一种附加的电荷（叫做极化电荷，有时 称为束缚电荷）激发的附加电场。
Pz z
0
0
②当 P = 恒矢量，均匀极化。
0
3.4-3 极化电荷面密度与极化强度的关系
l + ++++ eˆn
电介质 +++++
, 0
2
l 电介质
eˆn
, 0
2
在电介质的表面上，θ 为锐角的地方将出现一 层正极化电荷，θ 为钝角的地方则出现一层负极化 电荷，
电介质的极化程度不仅体现在P上，还体现在极 化电荷多少上，因此，极化强度矢量P和极化电荷之 间必定有内在联系。
3.4-1 极化电荷
电介质的极化
•7.8 静电场中的电介质 7.8
交变电场
水、油分子反复极化
摩擦生热、 摩擦生热、共振
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2. 无极分子
位移极化
微观表现： 无极分子在外场的作用下正负电荷中心 微观表现： 发生偏移而产生的极化称为位移极化 位移极化。 发生偏移而产生的极化称为位移极化。 原子、分子尺度。 原子、分子尺度。 宏观表现(均匀介质)：介质表面出现极化电荷(波炉加热的原理
静电场中的电介质
电介质 (Dielectric)，就是绝缘体 —无自由电 ， 无自由电 不导电。 子，不导电。
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导体放入静电场中，…… 导体放入静电场中，
返回
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§7-8 静电场中的电介质
电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 绝缘体放入静电场中，会产生什么作用呢 绝缘体放入静电场中，
±
有极分子： 分子的正、 有极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时不重 分子存在固有电偶极矩 固有电偶极矩。 合，分子存在固有电偶极矩。 p
-q +q
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在无外电场时，无论哪种电介质， 在无外电场时，无论哪种电介质，整体都呈现 电中性。 电中性。为什么
分子排列杂乱无章 如果给电介质加上外场呢
极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷 极化电 极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷(极化电 束缚电荷)的现象称电介质的极化 的现象称电介质的极化。 荷或束缚电荷 的现象称电介质的极化。
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电介质的极化是怎样产生的呢 电介质的极化是怎样产生的呢 极化 *一、 电介质的电结构 一 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 不存在固有分子电偶极矩。 不存在固有分子电偶极矩。
《电磁场理论》2.4 电介质的极化
± ± ±
(a )
1
2.电介质的极化
定义：这种在外电场作用下，电介质中出现有序排列的 电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象，称为电介质的 极化。
(1)无极分子的极化：位移极化
外加电场 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± (a ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ (b ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 外加电场
QP P dV
V
S
dS P
S
( P)dV P ndS
V
01:55
P ndS P ndS 0
S S
7
3)当极化强度 P 为常数时，称为均匀极化。均匀极化时介 质内部不出现体极化电荷，极化电荷只会出现在介质表面 上。均匀介质一般有 P 为常数，而真空中有 P 0 。 4)若极化媒质内存在自由电荷，则在自由电荷处一般存在 极化电荷。 5)两种介质分界面上的极化电荷
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
6
(r )
1 4 0
P
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
计算介质极化后所产生的电位： 1)将电介质从所研究的区域取走， 2)计算 P和 P ， 3)按计算自由电荷的电场的方法来计算极化电荷的电场。 说明： 1)极化电荷不能自由运动，也称为束缚电荷； 2)由电荷守恒定律，电介质内的总极化电荷为零；
Pn S R dS ]
电介质的极化
§3.3 电介质的极化：
一、极化：在外电场的作用下，电介质所发生的变化称之。
二、位移极化：无极化分子的极化。
在外电场的力矩作用下，正负电荷的“重心”发生反向位移而分开的变化。
图
由0P = 变为0P ≠ 。
三、取向极化：有极分子的极化。
在外电场的力矩作用下，分子偶极矩发生转向（趋于和外电场方向一致）的变化。
由0i P =∑
变为0i P ≠∑。
实际上，从机理上分析，有极分子的极化，不是单纯的取向极化，由于电场力的作用，同时还有位移极化，只不过是谁大谁小的问题。
四、极化强度矢量P
1、P ：定量描述电介质极化程度的宏观物理量。
2、极化的实质：
不论是哪种介质，极化前0i P =∑
，而极化后，则0i P ≠∑ 。
即极化是分子极矩和由
零到非零的变化。
3、P 的定义：1m i
i P P τ==∆∑
τ∆为物理无限小体积。
因而： P
是宏观矢量点函数。
4、P 与E 的关系：
实验表明：在各向同性电介质中
0P E εχ=
χ：称为极化率，取决于电介质的性质。
当χ处处相同时，亦称为均匀介质。
各向同性：指P 与E 的关系式与方向无关。
各向异性中，用极化率张量描述。
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。
1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。
2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。
离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。
离子极化能对金属化合物性质产生影响。
3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。
4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
电介质中的电极化现象
电介质中的电极化现象电介质是电导率较低的物质，大多数是非金属的固体或液体。
电介质的一个重要特征是它们可以被电场极化，即在电介质中产生电荷分离，形成电偶极矩。
这种现象被称为电极化，它对于电介质的性质和应用有着重要影响。
一、电极化的机制电极化的机制有多种，其中最常见的是离子导电和电子极化。
离子导电是指当电介质中存在可离子化物质（如溶解的盐或酸）时，电场会引起离子的移动，从而导致电介质中的离子分布不均。
正离子向电场的负极移动，负离子向正极移动，产生电偶极矩。
这种电极化机制常见于液体中，比如盐水溶液。
电子极化是指电场导致电介质中原子或分子的电子云偏离其平衡位置，形成永久或瞬时的电偶极矩。
这种电极化机制广泛存在于固体和液体电介质中。
二、极化与介电常数介电常数是衡量电介质相对于真空的电容性能的物理常数。
它描述了电场在电介质中传播的速度，也反映了电介质的极化程度。
电极化会使电介质内部的电场减弱，增加电场强度下的电介质电容。
这是因为极化过程会生成相反方向的电荷分布，产生与外加电场相抵消的电场。
因此，电介质的介电常数大于1。
通过极化现象，电介质能够存储电荷和能量。
在某些应用中，为了提高电容器的电容性能，可以将电介质用作电容器的介质。
通过选择具有较高极化程度的电介质，可以获得更大的电容。
三、应用电介质的电极化现象在现代科技中有着广泛的应用。
下面几个领域是电极化现象常见的应用示例。
1. 电解质电池电解质电池是利用电介质中的离子导电机制来实现能量转化的装置。
典型的电解质电池包括铅酸电池和锂离子电池。
在这些电池中，电解质的极化现象是电池充放电过程的基础。
2. 电介质储能器电介质储能器是一种储存电能的设备，它利用电介质的极化来存储电荷。
储能器可以用于平衡或峰值削平电网上的能量需求，以及为移动设备和电动汽车等提供电源。
3. 电介质电压传感器电介质电压传感器是一种测量高电压或强电场的设备。
它利用电介质中的电极化现象来检测电势差并转换为信号输出。
1-1 电介质的极化
电介质的极化极性分子和非极性分子由两个或多个极性共价键组成的分子，如其结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。
常见极性绝缘电介质：环氧树脂、蓖麻油； 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气等H 2O . . . O H H + SF6+ + + + +++ + ++ + + + + + + + + + + 电介质的极化无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电；加上外电场后，电矩受力矩作用而发生转向，在介质左右两端面上出现极化电荷。
E 外 + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 以极性分子为例：+ + + ++ Q 0 U + + + + + 自由电荷极化电荷 + + + + + 极板间插入固体介质后，在电场作用下电介质中带电物质产生应变，电介质表面产生束缚电荷，把这种现象称为电介质极化。
Q’ +电介质的极化种类（1）、电子位移极化（2）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化（4）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化（1）、电子位移极化当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，它将相对于原子核发生位移而形成极化。
e+电子位移极化的特点1）、电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。
2）、形成极化所需的时间极短（因电子质量极小），不随频率变化；约10-15，故其r3）、它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又会马上重合而整个呈现非极性，所以这种极化没有损耗。
（2）、离子位移极化离子位移极化：无外电场时，大量离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零，在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。
离子位移极化的特点1）、离子位移极化存在于离子晶体中；2）、形成极化所需的时间很短，约10-12s，故其 r不随频率变化；3）、属于弹性极化，几乎没有极化损耗。
（3）、偶极子转向极化偶极子转向极化：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之中，分布非常混乱，对外的作用互相抵消，因此整个介质对外并不呈现极性；而在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场定向排列，因而显示出极性。
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n dS P
x
d 2 2 dq 2R sin d P2R sin cos d
2) 在球面上取环带
处， 0； 0及 处， 最大。 2
左半球面上
0
d P
P np nql
由于极化而越过面元的总电量
dq qn dV nql dS cos nql dS P dS cos
Ε
l
n
P
束缚电荷面密度
dq P cos P n dS
被均匀极化，极化强度为P。 求：1) 介质球表面的分布；2) 极化电荷在球心处的场。 解：1) 球面上任一点 P n P cos
P P 2 E dE 0 sin cos d 2 0 3 0
E沿x轴负方向。
（1） 电极化强度矢量
P
pi
i
单位体积内分子电矩的矢量和。
总电场
V
束缚电荷电场
（2） 空间任一点总电场
E E0 E
极化率 外电场
（3）电极化强度与总电场的关系 P 0 E
（4）极化率与相对介电常数的关系
r 1
电极化强度矢量
束缚电荷与电极化强度的关系： 分子数密度 p ql 分子电矩 电极化强度
§9-4
电介质及其极化
电介质：绝缘体，无自由电荷。 电介质极化特点：内部场强一般不为零。
1. 有极分子和无极分子电介质
有极分子：分子的正电荷 中心与负电荷中心不重合。
pe ql
l
+H
O
负电荷 中心
+H
无极分子：分子的正电荷 中心与负电荷中心重合。
+
正电荷中心
电介质的极化
2. 电介质的极化
x
电极化强度矢量
在球心处的场
dq P 2 dE cos sin cos d 2 4 0 R 2 0
P P 2 E dE 0 sin cos d 2 0 3 0
E沿x轴负方向。
电极化强度矢量
在球心处的场
dq P 2 dE cos sin cos d 2 4 0 R 2 0
（1）无极分子的位移极化
加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电 荷中心不再重合，出现分子电矩。
电介质的极化
（2）有极分子的取向极化
无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个 介质不带电。 在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个 力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。
电极化强度矢量
3. 电极化强度矢量