电介质的特性
电介质分类
电介质分类
电介质是指电子元件中用来传导电流的物质，它可以是固体、液体或气体。
电介质的分类可以根据其物理性质和电学性质来划分。
一、根据物理性质分类
1、固体介质：固体介质是指以固体形式存在的电介质，它们的电阻率比液体和气体要高，常见的固体介质有金属、石英、玻璃、石墨等。
2、液体介质：液体介质是指以液体形式存在的电介质，它们的电阻率比固体要低，常见的液体介质有水、油、醇类等。
3、气体介质：气体介质是指以气体形式存在的电介质，它们的电阻率比液体和固体要低，常见的气体介质有氧气、氢气、氩气等。
二、根据电学性质分类
1、导体：导体是指具有良好的电导性的电介质，它们的电阻率比绝缘体要低，常见的导体有金属、水、油等。
2、绝缘体：绝缘体是指具有良好的绝缘性的电介质，它们的电阻率比导体要高，常见的绝缘体有石英、玻璃、石墨等。
三、根据电介质的用途分类
1、电气介质：电气介质是指用于传导电流的电介质，它们的电阻率比绝缘体要低，常见的电气介质有金属、水、油等。
2、电磁介质：电磁介质是指用于传导电磁波的电介质，它们的电阻率比电气介质要高，常见的电磁介质有空气、石英、玻璃等。
四、根据电介质的结构分类
1、单相介质：单相介质是指由一种电介质组成的电路，它们的电阻率比多相介质要低，常见的单相介质有金属、水、油等。
2、多相介质：多相介质是指由多种电介质组成的电路，它们的电阻率比单相介质要高，常见的多相介质有空气、石英、玻璃等。
电介质是电子元件中不可缺少的重要组成部分，它们的特性决定了电子元件的性能。
根据电介质的物理性质、电学性质、用途和结构，可以将电介质分为固体介质、液体介质、气体介质、导体、绝。
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。
强电场下电介质出现的电气现象
强电场下电介质出现的电气现象强电场下电介质出现的电气现象导言：在我们日常生活和科技发展中，电介质在电场中的行为和电气现象一直备受关注。
强电场下的电介质，经常会出现一系列引人入胜的现象，这些现象不仅丰富了我们对电介质行为的理解，也为电子技术和应用提供了潜在机遇。
在本文中，我们将深入探讨强电场下电介质出现的电气现象，从简单到复杂，由浅入深地分析其原理和应用。
第一部分：电场对电介质的影响1. 电介质的定义和特性电介质是一种电导率较低的物质，具有良好的绝缘特性。
在电场作用下，电介质中的电荷表现出不同的行为和现象。
2. 电介质的极化效应当电介质置于电场中时，电场会使电介质内的原子或分子发生极化现象。
极化效应可以分为电子极化和离子极化两种情况。
电子极化是由于电场作用下电子云的位移而产生的，而离子极化则是由于离子在电场中的定向排列引起的。
3. 电介质的击穿现象在强电场下，电介质可能发生击穿现象。
击穿是指电介质在电场作用下，导电能力突然增加，使得电流迅速增大。
击穿通常伴随着能量释放和局部电弧的形成。
第二部分：强电场下的具体电气现象1. 电介质击穿引起的辉光放电当电介质发生击穿时，电流通过局部区域并形成辉光放电。
辉光放电通常伴随着明亮的闪光和特殊的颜色，这在照明和显示技术中得到了广泛应用。
2. 隧穿效应隧穿效应是指电子在电介质中通过势垒的现象，即在经典条件下无法穿越的势垒，在量子力学效应的作用下变得可能。
隧穿效应在电子器件中起着重要作用，如隧道二极管和隧穿显微镜等。
3. 电介质的电荷积累和击穿效应的影响强电场下的电介质表面可能会出现电荷积累现象。
电荷的积累可能会导致局部电场增强，从而增加击穿的概率。
理解和控制电介质表面电荷积累和击穿效应在电力设备和电子器件的设计和维护中具有重要意义。
第三部分：强电场下电介质电气现象的应用1. 绝缘材料的选取和设计在电力设备和电子元件中，合理选择和设计绝缘材料可以有效防止电介质的击穿和电气失效。
电介质定义
电介质定义
电介质是指纯净的电磁介质，它是一种无负载的介质，能够传输及把振动电路当中的
信号和能量传递出去。
它是一种物质，可以用来作为电路中信号和能量之间的传导介质。
由于它本身不发出热量，因而又称为热导体。
电介质有很多种类，例如空气、电缆、半导体材料等等。
空气：是一种最普遍的电介质，可用于传输电流、发出电磁波以及抗反射功能。
电缆: 电缆中的介质有铜导体、绝缘材料和填充材料，而其导体主要由铜、金属或其
他金属材料制成，用于传输电流或电信号。
半导体：半导体材料包括硅、碳、锗等，可以把电子能量传输到固体电源，起到信号
传递或命令传递的作用。
石英：石英是一种电介质，具有绝佳的热稳定性和低损耗的星型电介质，可作为电缆、谐振器及高精密设备的介质材料。
塑料：塑料也可作为电气介质，广泛应用于电气行业，如冷却剂、电缆材料、电机壳
体等。
电介质有着许多重要特性，如介电常数、电导率、击穿电压和电容量等，这些电学性
质决定了它们的电磁辐射性能和电磁干扰对电路的影响。
因此，选择电介质非常重要，以
确保电路的安全性和可靠性。
高电压第5章 液体和固体介质的电气特性-PPT文档资料
液体和固体介质广泛用作电气设备的内绝缘，常用
的液体和固体介质为：
液体介质：变压器油、电容器油、电缆油 固体介质：绝缘纸、纸板、云母、塑料、电瓷、玻
璃、硅橡胶 电介质的电气特性表现在电场作用下的 导电性能
介电性能 电气强度
描述电介质（绝缘材料属于电介质）电气特性的四大表征参数：
例如选择电容器的绝缘介质时，除要求Eb高以外还希望ε大，以提高电容器
的储能密度。但对电缆则正好相反，希望绝缘介质的ε小以减小电缆的充电电
流。
再如直流电容器和脉冲电容器可选用tanδ大的极性介质；而交流电容器则不
可，因为tanδ太大会引起热击穿。
第5章 液体和固体介质的电气特性
• • • • • 5.1 电介质的极化、电导与损耗 5.2 液体介质的击穿 5.3 固体介质的击穿 5.4 组合绝缘的特性 5.5 绝缘的老化
电导率
(绝缘电阻率 )
介电常数
介质损耗角正切
击穿电场强度
tg
Eb
所有气体介质的相对介电常数均近似等于1，其电导
和介质损耗在未发生放电时均可忽略不计。所以对气体
绝缘介质只关心其击穿强度。
固体和液体电介质则不同，它们的ε、γ、和
tanδ的特
性也是决定其能否被用作绝缘材料的重要因素。
出现外电场后，原先排列
杂乱的偶极子将沿电场方 向转动，作较有规则的排 列，如图所示，因而显示
出极性。这种极化称为偶
极子极化或转向极化。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，
极化过程需要消耗一定的能
量，极化所需的时间也较长，
10－10～10－2s，所以极性电
高电压知识
第一章：电介质的基本电气特性1、电介质的极化：在外加电场作用下，电介质中的正负电荷将沿着电场方向做有限的位移或者转向，形成力矩，这种现象叫做电介质的极化。
2、极化的基本形式：（1）电子式极化（这个过程主要是由电子在电场作用下的位移所造成，故称为电子式极化）。
其特点：电子式极化存在于所有电介质中；由于电子异常轻小，因此电子式极化所需时间极短，其极化响应速度最快，通常相当于紫外线的频率范围；电子式极化具有弹性；电子式极化消耗的能量可以忽略不计，因此称之为“无损极化”。
（2）离子式极化在离子式结构的电介质中，当有外电场作用时，则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外，还将产生正负离子的相对位移，使正负离子按照电厂的方向进行有序排列，形成极化，这种极化称为离子式极化。
其特点：不受频率影响，可在所有频率范围内发生；极化是弹性的；消耗的能量亦可忽略不计。
（3）偶极子式极化。
在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化。
其特点：为有损极化，而且极化时间也较长；受频率影响很大，频率增加，εr减小；温度对极性电介质的εr 也有很大影响，在T<Tw时，随着T增大会使分子间作用力下降，导致εr 增大，在T>Tw时，T增大会导致分子热运动增大，从而εr下降。
（4）空间电荷极化。
特点：消耗能量，为有损极化；仅在低频下发生，相当于电导。
（5）夹层极化。
夹层介质在外电场作用下的极化称为夹层极化，其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且极化过程伴随着有较大的能量损失，属于有损极化。
或分为两大类：有损极化和无损极化。
无损极化包括电子式极化和离子式极化，有损极化包括偶极子式极化和空间电荷极化。
夹层极化是空间电荷极化的一种特殊形式。
3、吸收现象：当直流电压U加在固体电介质时，通过介质中的电流将随时间而衰减，最终达到某一稳定值，这种现象称为吸收现象。
高电压第5章+液体和固体介质的电气特性
1. 各种气体的εr均接近于l，而常用的液体、固体介质 的εr大多在2~6之间。 2. 各种介质的εr与温度、电源频率的关系也各不相同， 这与极化的形式有关。
最基本的极化型式有电子式极化、离子式极化和偶
极子极化等三种，另外还有夹层极化和空间电荷极化
等。现简要介绍如下：
电子式极化 无损极化
离子式极化
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，整个介质对外并不 呈现极性。
出现外电场后，原先排列 杂乱的偶极子将沿电场方 向转动，作较有规则的排 列，如图所示，因而显示 出极性。这种极化称为偶 极子极化或转向极化。
偶极子极化与频率f 的关系：
偶极子极化是非弹性的，
2.0~2.2 2.5~2.6
固体介质
极性
纤维素 酚醛树脂 聚氯乙稀
6.5 4~4.5 3.2~4
离子性
云母 电瓷
5~7 5.5~6.5
可见，气体εr接近于1，液体和固体大多在Im 2N ～ao g 6
相对介电常数及其物理意义:
相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量
极化过程需要消耗一定的能
量，极化所需的时间也较长，
10－10～10－2s，所以极性电
介质的
值与r 电源频率
有较大关系，频率很高时偶
极子来不及转动，因而其εr
减小
偶极子极化与温度t的关系：
温度升高时，分子热运动加剧，阻碍极性分子沿电 场取向，使极化减弱，所以通常极性气体介质有负 的温度系数。
对液体和固体介质，温度很低时，分子间联系
讨论电导的意义：
绝缘预防性试验的理论依据: 预防性试验时，利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判
电介质用途
电介质用途
电介质是电学中一类重要的材料，具有阻止电流通量的特性。
这
些材料独特的特性，使得它们在许多不同的领域广泛应用。
在本文中，我们将探讨电介质的用途和重要性。
电介质的主要用途是作为电容器中的绝缘材料。
电容器是一种用
于存储电荷的电子元件，主要由两个导体板之间的绝缘介质组成。
这
些介质通常由聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯等材料制成。
电介质的绝
缘特性可防止电流从一个板传至另一个汽板，从而使电容器具有存储
电量的功能。
因此，电容器经常被用于电路中，包括电源电路、电子
元件、计算机及通信设备等。
此外，电介质也被用于绕组的绝缘材料中。
绕组是一系列绕在磁
芯上的电线构成的电枢。
电介质在绕组内具有优异的电绝缘性质，可
防止电流短路或意外放电，提升了电机和变压器的性能和可靠性。
电介质也常常被用于制造扇形机构和电机的额外部分。
这些附件
主要包括电机的轴承、文件夹、端盖等。
正是由于电介质耐电性好、
绝缘性能强，这使得机械内部无法干扰电流的传播和运行，从而提高
了产品的耐用性和稳定性。
除此之外，电介质还具有诱电特性，被广泛用于制造电动机、变
压器、电线电缆等领域。
在这些设备中，电介质的粘接、表面涂层等
制造工艺，可以提高电机的输出功率和效率，从而更好的完成各种应
用功能。
总之，电介质具有的绝缘、耐电和诱电的特性，使之成为电学领
域中一项重要的材料。
无论是在电容器、电机、变压器、电缆等设备，还是在计算机、通讯设备等方面，电介质都起到了极为重要的作用。
极化强度与电场强度成正比的电介质
极化强度与电场强度成正比的电介质一、引言电介质是指在外加电场下不导电的物质。
在电介质中，虽然没有自由电子，但是它们的分子和原子仍然可以被极化。
极化强度与电场强度成正比是电介质的一个重要特性。
二、极化强度与电场强度成正比的原理1. 电介质分子极化当外加电场作用于电介质时，分子内部会产生相应的极化现象。
这种极化可以表现为分子内部正、负离子间距离增大或减小，或者是分子内部发生一定程度的旋转。
2. 极化强度与外加电场强度成正比对于一个给定的外加电场，不同种类的物质会产生不同程度的极化效应。
通常情况下，极化强度与外加电场强度成正比。
3. 产生原因这个现象可以通过热力学理论来解释。
在热力学平衡状态下，物体内部各个微观粒子都会按照一定规律运动，并且在宏观上呈现出均匀状态。
当外界施加了一个扰动时（如温度变化、压力变化、电场变化等），物体内部的微观粒子会发生相应的运动，以消除这个扰动。
在电介质中，外加电场就是一种扰动，分子内部的极化就是一种消除这个扰动的方式。
三、极化强度与电场强度成正比的实验验证1. 实验原理为了验证极化强度与外加电场强度成正比这个规律，可以进行一些实验。
其中较为简单的一个实验是通过测量电介质中产生电偶极矩来确定极化强度与外加电场强度之间的关系。
2. 实验步骤（1）将一个球形金属导体放在一个绝缘材料支架上，并将其接地。
（2）在导体中心点处放置一个小块电介质样品，并用绝缘材料将其固定住。
（3）将高压直流源连接到金属导体上，并调节输出电压和流量计，使得导体表面产生一个均匀的电场。
（4）测量导体两端之间产生的电势差，并计算出样品中产生的电偶极矩大小。
（5）重复以上步骤多次，改变外加电场强度并记录每次实验的结果。
3. 实验结果通过上述实验可以得到一组数据，其中极化强度与外加电场强度之间的关系可以通过线性拟合来确定。
实验结果表明，极化强度与外加电场强度成正比。
四、应用1. 电容器由于极化强度与外加电场强度成正比，因此可以利用这个规律来制造电容器。
2 电介质的击穿特性
二、放电时延
统计时延：从外施电 压达Uo时起，到出现 一个能引起击穿的初 始电子崩所需的第一 个有效电子所需时间 放电形成时延：从出 现第一个有效自由电 子时起，到放电过程 完成所需时间，即电 子崩的形成和发展到 流注等所需的时间
临界 击穿电压
电气绝缘
38
三、50％击穿电压及冲击系数
电气绝缘
34
三、极不均匀电场中的击穿
不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿 的极性效应与稍不均匀场间隙相反。
棒－棒和棒－板空气间隙的工 频 尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压 电气绝缘 击穿电压（有效值） 35
第四节、雷电冲击电压下气体间隙的击穿特性
为了检验绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中 可以利用冲击电压发生器产生冲击高压，以模拟雷电 放电引起的过电压。 规定：标准雷电冲击波形：1.2us/50us。（波前时间 1.2us，半峰值时间50us）
3.1 3.9 3.9 5.3
电气绝缘
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三、气体中带电粒子的消失：去游离
（1）扩散：带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. （2）复合：正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子
电气绝缘
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(3)附着效应:气体中负离子的形成
电子与气体分子或原子碰撞时，也有可能发生电子附着过程 而形成负离子，并释放出能量，称为电子亲合能。电子亲合 能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，越大则越易 形成负离子。
1. 50％击穿电压 多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50 。
2. 冲击系数
同一间隙的50％冲击击穿电压与工频击穿电压U~之比 。
电气绝缘
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四、 伏－秒特性
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1.什么是电介质？
电介质是一种绝缘材料，在外电场作用下不能 发生 传导现象，可以发生极化现象。
电介质有多种形态:
液态和气态。
电介质的分子可分为两类:
无极分子 有极分子
无极分子：当外电场不存在时，电介质中分子的正负电 荷的" 重心〃是重合的。
有极分子：当外电场不存在时，电介质中分子的正负电 荷"重 心〃不重合，因此每个分子可等效为 —个电偶极 子。
求：球壳中任一点的电位移矢量、电场强度、极化强度及电位。 解：按题意该电场为中心对称场，选球坐标系，用高斯定律
= Q —> ££DRR sinOdOd^ = Q 一o
所以：DR • 4nR2 = Q — D = -^—2 aR R x 4 nR2 R
一一 一 0 八
R〉R2. D =『
RI - R - R2 ： D = £QsrE2 —> E?=倾?&
根据咼斯定律：V - (% E) = + pp — pV-\- (—V - P)
可得：V-(+ P)- pv
定义一新矢量：D = 8o》+戸
已知：戸=
D = (Se)%丘
令：S = 1 + /
D = £t£QE\-------1电介质的物态方程
s 其中：％称为相对介电常数。材料的介电常数表示为： = s鬲
常见电介质的相对介电常数见教材。
材料名称 空气
聚四氟乙烯 石蜡
聚苯乙烯 胶木 蒸馏水
相对介电常数
1.0006 2.1 2.2 2.56 4.9 91
击芽场强（10kV/cm）
3
15 〜30 40
21 〜30
例 : Q R 1 点电荷 位于介质球壳的球心，球壳内半径为R，夕卜半径为
球壳的相对介电常数为勺，壳内外为真空。
3.极化强度
极化强度：描述电介质极化程度的物理量。
极化强度定义：单位体积中分子电矩的矢量和。
设介质中任一小体积A卩中所有分子的电矩矢量和为SA
极化强度为： /a
'
戸=lim品极化强度的单位是C/m2 .。
AV 顶 AV
介质中的每一点极化强度矢量与该点的电场强度成正比。
即：
P = %舟丘
称为电极化系数。
4.束缚电荷
电介质中体积户内的的全部电偶极子，在场点力产生的电位:
1
•束缚面电荷在场点产生的电位
由=
丄
戸R
其中：表面須J S是，体R 积J V'的封闭界面。 束缚
= 电荷的面密度为： PPS=片---戸束•缚介体电何在场点产生的电位
矿• 束缚电荷的体密度为： PPபைடு நூலகம்=戸
5-电介质的物态方程
电介质极化后，场域中除了自由电荷之外，又多了束缚电荷，
2•电介质的极化
(1) 无极分子的极化：位移极化 在外电场作用下，由无极分子组成的电介质中, 分子
的正负电荷"重心〃将发生相对位移，形成等 效电偶极子。 (2) 有极分子的极化：转向极化
在外电场作用下，由有极分子组成的电介质中, 各分 子的电偶极矩转向电场的方向。
电介质极化的定义：
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。
5.1电介质的物态方程 8 =时。丘 6.介质的击穿
咼斯定律：N • D = pv
积分形式：（）$力• dU =「T
结论： 穿过任意封闭曲面的电通量，只与曲面中包 围的自由
电荷有关，而与介质的极化状况无关。
6.介质的击穿
介质的击穿：当电介质上的外加电场足够大时， 束缚 电荷有可能克服原子结构的吸引力，成为自 由电荷， 此时，介质呈现导体特性。
击穿场强：介质所能承受的最大电场强度。 击穿场强在高压技术中是一个表征材料性能的 重要参 数。
3.3电介质的特性
1. 什么是电介质？ 2. 电介质的极化 3. 极化强度 4. 束缚电荷 5. 电介质的物态方程 6. 介质的击穿
材料的电导率
材料名称 云母 硬橡胶
动物肌肉 海水 石墨 黄铜 金
类型 绝缘体 绝缘体
导体 导体 导体 导体
电导率b （S/m） IO』5 IO』4 0.4 4 105 1.1X107 4.1X107
极化强度:
P
—
D
—
Q 1、 人 上 SQE?n=R(12—&
4
电位：= -jR'd「=-J：E1RdR — E dR J： 2R
Q1 1 1 4 n%(1—扌瓦+双
d，= -dRdR
小结:
1. -什么是电介质？ 2. 电介质的极化
3. 极化强度戸=源D = SQE + P 4. 束缚电荷pP = -V .戸