电介质理论基础
电介质理论(一)课件
击穿电压是电介质的重要电气性能参数，它反映了电介质在 强电场下的耐受能力。击穿电压的大小与电场强度、电介质 厚度、温度、湿度等因素有关。
击穿的微观机制
电极过程
在强电场的作用下，电介质中的 电子或离子在电极表面附近聚集 形成空间电荷层，形成导电通道
，导致电介质击穿。
热击穿
电介质在强电场作用下，内部热量 积累导致温度升高，当温度达到电 介质的热分解温度或熔点时，电介 质失去绝缘性能。
02
电介质的理论基础
电极化现象
定义
电极化现象是指电介质在电场作 用下发生的极化状态变化，即电 介质内部正负电荷中心发生相对 位移，导致电介质表面出现极化
电荷的现象。
分类
电极化现象可分为电子极化、离 子极化和取向极化等类型。
Байду номын сангаас
影响因素
电极化现象受到电场强度、电介 质种类和温度等因素的影响。
电极化的微观机制
电极化强度
电极化强度是描述电介质极化状态的物理量，表示单位体积内电 介质极化电荷的总量。
电场与电极化强度关系
电场与电极化强度之间存在一定的关系，即电极化强度与电场成正 比，与电介质种类和温度等因素有关。
电极化的能量损耗
电极化的过程中会产生能量损耗，主要表现在电介质内部的摩擦和 热能散失等方面。
03
电子极化
取向极化
电子极化是由于电场作用下电子云相 对于原子核发生位移，导致电子和原 子核之间的相互作用发生变化。
取向极化是由于电场作用下分子或分 子的排列方向发生变化，导致正负电 荷中心相对位移。
离子极化
离子极化是由于电场作用下离子在电 介质中的位移，导致正负离子之间的 相互作用发生变化。
电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库
考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。
20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。
1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。
汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。
因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。
在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。
低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。
但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。
(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。
完成击穿需要一定的时间。
但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。
(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。
(4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。
实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。
由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。
2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。
(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。
1-2 电介质的基础理论
外电场愈强，转向定向愈充分，外电场消失，宏观的转向 极化也随之消失。
夹层极化
高电压设备的绝 缘由几种不同的材料组成，或介质不均 匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。
存在电压从新分配，电 荷在介质空间从新分布， 夹层界面有电荷堆积的 过程，从而产生电矩。
ｉg －－离子位移极化的泄漏电流 （不随时间变化） ｉc －－电子极化、离子极化的几何电流 （存在的时间很
短，很快衰减到零）
吸收比
吸收现象的意义：对判断绝缘是否受潮很有用。 在实际应用中，通常是用兆欧表测量 60s 和 15s 时电介质的绝缘电阻值 R60 和 R15 ，R60/R15 的 比值越大，则绝缘越干燥。这个比值称为：吸收 比。
电介质极化现象在工程中的实际意义
不同应用场合，对εr 大小的要求不同。 中性电介质：εr小，热损耗小——用作高压电气设备的
绝缘结构、电缆绝缘等； 极性电介质：εr大，在相同的耐电强度下，可使单位电
容器的体积和重量减小——用作极板间的的绝缘物质等。
电介质极化现象在工程中的实际意义
影响气体间隙击穿的主要因素
• 电极的几何形状（均匀、极不均匀电场） • 电压的类型（直流、工频交流、冲击电压） • 极间距离 • 持续时间
液体的绝缘性能
液体绝缘，主要是从石油中提炼出来的矿物油。 其击穿理论与气体和固体不同，是至今仍在进行研
究的领域。 主要有电击穿、气泡击穿和悬浮粒 子产生的击穿。
Q0 U
0A
d
插入固体电解质后电容量：
C Q0 Q' A
U
d
相对介电常数：
r
0
电介质物理学
电介质物理学绪论电介质(dielectric)是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。
电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场这种性质是电介质的基本属性．也是电介质多种实际应用(如储存静电能)的基础。
静电场中电介质内部能够存在电场这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明，电介质的这一特性有别于金属导体材料，因为在静电平衡态导体内部的电场是等于零的。
如果运用现代固体物理的能带理论来定义电介质，则可将电介质定义为这样一种物质：它的能级图中基态被占满．基态与第一激发态之间被比较宽的禁带隔开，以致电子从正常态激发到相对于导带所必须的能量，大到可使电介质变到破坏。
电介质的能带结构可以用图一示意，为了便于将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，图中分别画出了它们的能带结构示意图．电介质对电场的响应特性不同于金属导体。
金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，从而决定了金属具有良好的导电件，它们以传导方式来传递电的作用和影响。
然而，在电介质体内，一股情况下只具有被束缚着的电荷。
在电场的作用下，将不能以传导方式而只能以感应的方式，即以正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。
尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，然而，以电极化方式响应电场的作用，却是共同的。
正因为如此研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出相应的规律，是电介质物理的一个重要课题。
由上所述，电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能。
在工程应用上，常在需要将电路中具有不同电势的导体彼此隔开的地方使用电介质材料，就是利用介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料(Insulating material)或绝缘体(insulator)。
与理想电介质不同，工程上实际电介质在电场作用下存在泄漏电流相电能的耗散以及在强电场下还可能导致电介质的破坏。
因此，如果将电介质物理看成是一种技术物理，那么除要研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗以及击穿特性，这些就是电介质物理需要研究的主要问题。
电介质中的环路定理
电介质中的环路定理
电介质是电场中的重要组成部分，它们可以改变电场的传播和
储存能量的能力。
在研究电介质中的电场时，环路定理是一个非常
重要的原理，它可以帮助我们理解电介质中电场的特性和行为。
环路定理是基于麦克斯韦方程组中的一个重要方程——环路积
分定律。
这个定律表明了电场的环路积分等于该环路内部电荷的总
电荷除以介电常数ε的比例。
换句话说，环路定理告诉我们，沿着
闭合路径的电场环路积分等于该路径内的总电荷。
这个定理对于理解电介质中的电场分布非常重要。
在电介质中，电场会受到电荷的影响而发生变化，而环路定理可以帮助我们计算
电场的分布和强度。
通过在电介质中选择不同的闭合路径，我们可
以分析不同位置的电场强度，从而更好地理解电介质中电场的行为。
另外，环路定理也可以帮助我们研究电介质中的极化现象。
当
电介质置于外电场中时，电介质内部的分子会发生极化，导致电介
质中出现极化电荷。
环路定理可以帮助我们计算这些极化电荷对电
场的影响，从而更好地理解电介质中的极化过程。
总之，电介质中的环路定理是研究电场分布和极化现象的重要工具。
通过应用环路定理，我们可以更好地理解电介质中的电场行为，为电介质在电子学和电磁学领域的应用提供理论基础。
国家电网高压电培训 第一章 电介质极化、电导、损耗
§1.3 电介质的损耗
2.介质损耗的基本形式 (1)电导损耗。 (2)极化损耗。
15
(3)游离损耗。它主要是指气体间隙的电晕放电以及 液、固体电介质内部气泡中的局部放电所引起的附加 损耗。
§1.3 电介质的损耗
二、介质损失角正切 tgδ
1.直流电压下
16
电导率γ或电阻率ρ既表示介质电导的特性,同时
也表征了介质损耗的特性。
2.在交流电压下
tgδ表征介质损耗的大小。
17
§1.3 电介质的损耗
三、影晌tgδ的因素 1.频率
18
2.温度
3.电压
§1.3 电介质的损耗
四、介质损耗在工程应用上的意义 1.选材；
19
2. tgδ值的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本 项目； 3.合理使用设备。
其物理意义表示金属极板间放入电介质后的电容量(或 极板上的电荷量)为极板间为真空时的电容量(或极板 上的电荷量)的倍数。εr =Q/Qo
5
§1.1 电介质的极化
6
（a）极板间为真空
（b）极板间为固体介质
§1.1 电介质的极化
四、电介质极化在工程上的意义
7
1.选择合适εr的绝缘材料；
2.采用组合绝缘时选择介电系数合理搭配的绝 缘材料； 3.通过测ε值来判断绝缘材料的受潮情况及含 气泡的多少
§1.2 电介质的电导
一、电介质电导的基本概念 电介质在电场作用下，有一定电流流过的现象， 称为电介质的电导。 这是因为在电介质内部还是存在数量很少的带 电粒子。 表征不同电介质电导过程强弱程度的物理量是 电导率γ(或电阻率ρ)。 电介质的电阻率一般达109～1022Ω•cm，而导体 的电阻率在10-2Ω•cm 以下,可见两者差别之大。
大学物理电介质内的电场强度
目
CONTENCT
录
• 引言 • 电介质基础知识 • 电介质内的电场强度概念 • 电介质内的电场强度分布 • 电介质内的电场强度与物理现象 • 总结与展望
01
引言
主题简介
电场强度是描述电场中电场力作用强弱的物理量，其大小表示电 场中单位点电荷所受的静电力，方向与正电荷在该点所受的静电 力方向相同。
总结词
电场强度是电磁能量转换的重要参数， 影响电磁波的传播和吸收。
VS
详细描述
在电磁波传播过程中，电场强度是描述电 磁波能量的重要参数。不同频率和方向的 电磁波在介质中传播时，会与介质内的分 子相互作用，将电磁能转换为热能或其他 形式的能量。电场强度越大，电磁波的能 量越强，对介质的加热和吸收效果也越明 显。
03
电介质内的电场强度概念
电场强度的定义与计算
定义
电场强度是描述电场中电场力作用强 弱的物理量，用E表示。
计算
电场强度的大小等于单位电荷在该点所 受的电场力，计算公式为E=F/q，其中 F为点电荷所受的电场力，q为点电荷的 电量。
电场强度与电介质的关系
电介质对电场的影响
在电场中，电介质中的电场强度与真 空中的电场强度不同，因为电介质中 的电荷会受到束缚，使得电介质中的 电场分布和强度发生变化。
详细描述
在电力系统中，电介质起着绝缘作用，保证电气设备的 安全运行。在储能技术中，电介质用于储存电能，如电 解电容器的使用。此外，在电磁波传播方面，电介质如 玻璃、聚乙烯等是重要的传输媒介。在静电场和恒定磁 场中，电介质对场的影响可忽略不计，但在交变电磁场 中，特别是在高频电磁场中，电介质对场的影响不可忽 略，此时需要在原有电磁场方程中增加描述电场和磁场 能量与电介质有关的项，从而得到更精确的电磁场理论 。
电介质极化现象与介电常数
电介质极化现象与介电常数引言：电介质是指在电场作用下发生极化现象的材料，其极化现象涉及到电子和离子在外电场作用下的移动与重新排列。
电介质的极化现象与介电常数紧密相关，介电常数是描述介质在电场中的性质的物理量，本文将探讨电介质极化现象与介电常数之间的关系。
一、电介质极化现象在电介质中，当外加电场从无到有时，电子和离子在电场力作用下发生了移动以及重新排列的现象。
这种现象被称为电介质的极化。
电介质的极化可以由以下两种类型来描述：1. 电子极化：当电介质中存在自由电子时，外电场对自由电子的作用会使电子产生位移，从而在材料中产生电荷分布不均的现象。
电子极化是导致电介质具有介电性质的重要因素之一。
2. 离子极化：当电介质为离子晶体或者液体时，外电场会对离子产生作用，使得正负离子发生位移，导致电介质内部发生异种电荷的聚集。
这种离子的位移和重新排列又分为电子云位移和离子团聚两种形式，共同导致电介质极化。
二、介电常数的定义和意义介电常数是描述介质对电场作用的响应程度的物理量。
它可以通过电介质在极化过程中储存的电能和电场强度之间的关系来定义。
在一个恒定电场下，介电常数可以用来衡量电介质能储存多少电场能量。
介电常数用来比较电场作用下不同介质的性质，具有以下几点重要意义：1. 储存电能：通过极化现象，电介质可以吸收并储存电荷，从而形成电场梯度。
介电常数越大，说明介质储存的电能越高，这也是一些电容器的重要性能指标。
2. 屏蔽电场：介电常数高的材料对电场有较好的屏蔽作用。
在电子设备中，为了防止电磁辐射对周围环境产生干扰，常常使用具有高介电常数的材料进行屏蔽。
3. 改善电容器性能：对于电容器而言，介电常数的大小决定了电容器的储能量，同时也影响着电容器的电容值。
通过选择不同介电常数的材料，可以改变电容器的性能，以适应不同的应用需求。
三、影响介电常数的因素介电常数受多种因素影响，以下列举了几个主要因素：1. 材料种类：不同的电介质材料具有不同的化学成分和晶格结构，因此其极化现象和介电常数也有所不同。
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2.0 电介质概述
电介质极化特点：内部场强一般不为零。
电介质能以感应而非传导的方式来传递磁场信息 电介质材料一般特性的基本知识: 恒定电场中电介质的极化过程，包括其介电常
数、有效电场的概念、极化类型等；恒定电厂 中电介质电导特性，包括电导现象、物理参数； 交变场的介电损耗，以及强电场中的介电击穿 等
线性是指电介质的参数不随场量的数值发生 变化。
第二章 电介质理论基础
主要内容 ： 2.1 电介质的极化 2.2 交变电场下的介质极化与损耗 2.3 电介质的电导与击穿 2.4 电介质材料的非电性能
2.1 电介质的极化
主要内容 ：
2.1.1电介质的极化现象 2.1.2电介质的介电常数 2.1.3 极化强度和极化率 2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的
lorentz有效电场
Ee
r 2
3
E
r 1 n0 r 2 3 0
克劳修斯－莫索提公式，克-莫极化方程
电介质的极化
电介质
按正负电荷 和分布特性 可分为
无外电场作用时，由正 非极性电介质：负电荷中心重合，电偶
极矩为零的分子组成
单原子分子 (He,Ne,Ar等)
相同原子组成的 分子(H2,N2,Cl2等)
电
介电材料
介
质 材 压电材料
电介质 功能材料
料
电介质材料
的
应
用
液晶
电介质 结构材料
2.0 电介质概述
电介质的分类： 按来源：天然介质和人造介质 按聚集状态：气态、液态和固态介质 按化学组成分：有机介质和无机介质 按电介质电性能分：极性介质和非极性介质
2.0 电介质概述
在外电场下，电介质会发生极化、电导、介质 损耗和击穿等物理过程。
微观：电偶极矩 p分子 0，(l 0)
宏观：中性不带电
↘↗↙→← ↓→↗↘↙ ↙↓↙↗↘
E0 0
无极分子
±±±±± ±±±±±
±±±±±
p分子
0
有极分子
↘↗↙→← ↓→↗↘↙ ↙↓↙↗↘
E0 0
p分子
0
极化性质： 位移极化
取向极化
后果：出现极化电荷（不能自由移动）→束缚电荷
E
退极化场
退极化场（附加场E）
一般具有对称的化学结构，介电常数
对称结构的多原子分子
εr=2～5,体电阻率ρv=1014～1016Ω·m化 学惰性，性能稳定
极性电介质:
无外电场作用时，由正负 电荷中心不重合，具有固
(CO2,CCl4,CnH2n+2等) 弱极性电介质,μ0≤0.5D 中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
有偶极矩的分子组成
P
0 (1
1
r
)
0 r
( r
1)
E0 r E (r 1)0E 0E
电介质的极化率
平行电容器
复习前三节
电介质极化
无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、CO2)
微观：电偶极矩 p分子＝0，(l=0) 宏观：中性不带电
±±±±± ±±±±±
±±±±±
有极分子：正负电荷中心不重合(H2O、Hcl)
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
点电荷
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
lorentz有效电场
Ee
r 2
3
E
r 1 n0 r 2 3 0
克劳修斯－莫索提公式，克-莫极化方程
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
矩，可表示为：
V
P lim V
宏观上无限小微观 上无限大的体积元
极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2)
V
pi
每个分子的 电偶极矩
2.1.3 极化强度和极化率
从微观上, 极化强度是电介质单位体积中所有极化 粒子偶极矩的向量和, P = n0.,
对线性极化, =Ee, ---原子分子离子的极化率, Ee---有效电场
第二章 电介质理论基础
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以 感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。
电介质（dielectric） ：电阻率很大,导电性 能很差的物质,可看作理想的绝缘体，无自由 电荷。
电介质的特征是以正、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影响， 但其中起主要作用的是束缚电荷。
关系
2.1.5 电介质极化的基本类型 2.1.6 实际电介质的极化及其介电常数(略)
2.1.1电介质的极化现象
2.1.1电介质的极化
2.1.1电介质的极化
2.1.2电介质的介电常数
r
0
2.1.2电介质的介电常数
2.1.3 极化强度和极化率
电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P
表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极
化学结构不对称，介电常数εr=2.6～80,体 强极性电介质,μ0>1.5D
电阻率高于非极性电介质
石英，云母，金红石型离子晶体
离子性电介质: 通常由正负离子组成 玻璃陶瓷
E0
E
0 0
0
1
0
( 0
)
U
Ed
Q0 C
d
0r S
Q0
d
0 r
0
d
r
E0
E E0
r
Q r 1 E E0
④极化电荷 Q 与自由电荷 Q0 的关系
Q
E
E0
r
0 0 r
1
0
( 0
)
0
(1
1
r
)
Q
Q0
(1
1
r
)
Q r 1 0 Q Q0
⑤极化电荷密度 与 E 的关系
Q 0 0E0
P n0Ee
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数的关系
•以充满均匀、各向同性电介质的平行电容器为例：
①放入电介质前
自由电荷 0
E0
0 0
②放入电介质 r 后
极化电荷 E P
0 0
0
v P
r E0
v E
0
③电介质中某一点场强
vv v E E0 E E
依电势与电容定义：
在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强
P
q'( ', ')
E E0 E'
描 绘 极 化
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
比较
P n0Ee
微观参数
P ( r -1) 0E 宏观参数
r
1
n0E e 0E
上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(、 r、E）与微观参数(、n0、Ee)之间地关系。
本章主要讨论在外电场下的几个基本特征，并 对电介质的非电性能作简要介绍。
本章以各向同性、线性且均匀的电介质为例， 分析他们在电场中的行为。
2.0 电介质概述
在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性 线性均匀电介质在电场中的行为。
所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标 发生变化，
所说的各向同性是指电介质的参数不随场量 的方向发生变化，