第三章 电介质的电导
第 三 章 静电场中的电介质
第 三 章 静电场中的电介质 （6学时） 一、目的要求 1．掌握电介质极化机制，熟悉极化强度、极化率、介电常数等概念。 2．会求解极化强度和介质中的电场。 3．掌握有介质时的场方程。 4．理解电场能量、能量密度概念，会求电场的能量 。 二、教学内容与学时分配 1．电介质与偶极子（ 1学时） 2．电介质的极化（1学时） 3．极化电荷（ 1学时） 4．有电介质时的高斯定理（1学时） 5．有介质的场方程（1学时） 6．电场的能量（1学时） 三、本章思路 本章主要研究电介质在静电场中的特性，其基本思路是：电介质与偶极子→电介质的极化→电介质的极化规律 →有介质的静电场方程 →静电场的能量。 四、重点难点 重点：有介质的静电场方程 难点：电介质的极化规律。 五、讲授要点 §3.1 电介质与偶极子 一、教学内容 1．电介质概述 2．电介质与偶极子 3．偶极子在外电场中受到的力矩 4．偶极子激发的静电场 二、教学方式、 讲授 三、讲课提纲 1.电介质概述 电介质是绝缘材料，如橡胶、云母、玻璃、陶瓷等。 特点：分子中正负电荷结合紧密，处于束缚状态，几乎没有自由电荷。 当导体引入静电场中时，导体对静电场有很大的影响，因静电感应而出现的感应电荷 产生的静电场在导体内部将原场处处抵消，其体内00='+=E E E ???，且表现出许多特性，
如导体是等势体、表面是等分为面、电荷只能分布在表面等；如果将电介质引入电场中情况又如何呢？实验表明，电介质对电场也有影响，但不及导体的影响大。它不能将介质内 部的原场处处抵消，而只能削弱。介质内的电场00≠'+=E E E ? ??。 2．电介质与偶极子 (1)电介质的电结构 电介质原子的最外层电子不像金属导体外层电子那样自由，而是被束缚在原子分子上，处于事缚状态。一般中性分子的正负电荷不止一个，且不集中于一点，但它们对远处一点的影响可以等效为一个点电荷的影响，这个等效点电荷的位置叫做电荷“重心”。分子中电荷在远处一点激发的场近似等于全部正负电荷分别集中于各自的“重心”时激发的场，正负电荷“重心”重合在一起的称无极分子，如 H ,N ,CO 等。正负电荷“重心”不重合在一起的称有极分子，像SO ,H O,NH 等。这样一个分子等效为一个偶极子。 (2)偶极子 两个相距很近，带等量异号电量的电荷系统叫做偶极子 ①偶极子在外场中受到的力矩 均匀外场中，0=∑F ρ 但受到一个力矩：θθθsin sin *2 *sin *2*qLE L F L F T =+= 定义：L q P ρ ρ= 称为偶极子的偶极矩，上式可写为： E P T ρ ρρ?= 满足右手螺旋关系 Q 、L 可以不同。但只要其乘积qL 相同，力矩便相同。此力矩总是企图使偶极距转到外电场的方向上去； 非均匀外场中，0≠ ∑F ρ ∑≠0T ρ 如摩擦事的笔头吸引纸屑，其实质就是纸屑在笔头电荷的非均匀电场中被极化，等效为偶极子，偶极子受到非均匀电场的作用力（指向场强增大的方向）而向笔头运动。 ②偶极子的场 中垂面上一点的场强：场点到q ±的距离相等，产生的场强大小相等为： 4 412 2 l r q E E + = =-+πεF ρ 图3-3 +q -q l ? E ρ F ρ θ 图3-1 图3-2
第三章_电介质电导和击穿ppt1
第三章_电介质电导和击穿ppt1 3 电介质电导和击穿 3.1 概述 3.2 气体电介质的电导和击穿 3.3 固体电介质的电导 3. 4 固体电介质的热击穿 3. 5 固体电介质的电击穿返回 3.1 概述 1(什么是电介质的电导,提高电介质的绝缘性能的基本方法是什么,(掌握) 2(电介质电导类型有哪些,(掌握) 3(什么叫电介质的击穿,它有哪些击穿形式,通常用那些参数评价(掌握) 返回1(什么是电介质的电导,提高电介质的绝缘性能的基本方法是什么,(掌握) 弱联系的带电质点在电场作用下作定向漂移，从而构成传导电流的过程称为电介质的电导。电介质电导的强弱(或者说电介质的绝缘性能) 通常采用电导率或电阻率表示。一般地当 10 m ，即可认为该电介质具有良好的8 绝缘性能。提高电介质的绝缘性能的基本方法是: (1)降低载流子浓度; (2)降低载流子的迁移率。下一页返回2(电介质电导类型有哪些,(掌握)) 电导类型有:离子电导，电子电导，电泳电导。离子电导: 固体电介质的主要电导形式，是介质中带电荷的弱联系的正负离子(或离子空位)。电子电导: 一般电介质物质的禁带较宽，电子(空穴)载流子极少，因而电子电导一般不是电介质电导的主要因素，只在特定条件下才表现得比较明显。电泳电导: 是液体电导的主要形式，载流子是带电的分子团所形成的电导。返回3(什么叫电介质的击穿,它有哪些击穿形式,通常用那些参数评价(掌握) 当外加电场增加到某一临界值时，电导率突然剧增，电介质丧失其固有的绝缘性能，变成导体，这种现象称为击穿。击穿的形式有: 热击穿电击穿电化学击穿通常使用击穿电压、击穿电 回 3.2 场强度、绝缘强度、介电强度、耐电强度、抗电强度等参数或术语评价。返气体电介质的电导和击穿 1(气体电介质伏安特性曲线分为那三个部分,各部分的特征是什么,(掌握) 2(气体为何能导电,如何对其导电过程进行理论分析,(掌握) 3(什么叫气体电介质击穿,气体电介质放电过程有那两种形式,(掌握)
电介质的损耗复习课程
电介质的损耗
第二节电介质的损耗 作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，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。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。 1 损耗的形式 ①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。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。 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，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。 ②极化损耗： 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。用tg δ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。 ` ③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。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。 2 介质损耗的表示方法 在理想电容器中，电压与电流强度成 90o ，在真实电介质中，由于 GU 分量，而不是 90o 。此时，合成电流为： ； 故定义：——为复电导率
第三章静电场中的电介质
第三章 静电场中的电介质 §１ 概述 １）媒质中的电场 媒质由电粒子和中性粒子构成，电场与媒质中的电粒子产生作用。 大量的微观作用可能会表现出宏观现象。 ２）微观量与宏观量 微观量：媒质中各微观点的值,具有时间上起伏性。 宏观值：是大量微观现象在物理无限小体积元中对应的平均值，具有相对的稳定性（在静电场的条件下）。 宏观电磁现象是大量的微观电磁作用的综合平均效应。 §２、电偶极子 １、电介质 电介质即通常所指的绝缘体（其特点为体内无自由 电子）。 a) 电介质与电场的相互作用。 实验介质为玻璃。 介质插入电容器极板之前，电压为U ； 介质插入电容器极板之后， ① d /U E E U =↓?↓ 此种静电现象表明，介质对电场产生了作用。 ②介质两侧表面出现了不能作宏观运动的异号电荷。此种现象表明电场对介质产生了作用。 此种静电现象称之为极化。 极化：中性介质受电场作用后在宏观上表现出电性。 束缚电荷：介质中不能产生宏观移动的电粒子。 特点：电粒子受分子力的约束，只能为生微观移动，其活动区域为原子的线度数
量级。 研究大量微观粒子产生的宏观电现象时，可将分子、原子等效成两个等量异号的正电荷重心和负电荷重心，从而可以达到简化问题目的。 处在电场中的正负电重心受力方向相反，会产生重心之间距离的拉伸与压缩、重心的相对偏转等位置变化，在宏观上呈现出电性，使介质产生极化。 重合的正负电荷重心被电场拉开。 不重合的电重心整体产生偏转，相对位置亦为生变化。 ２ 电偶极子 电偶极子是由两个等量异号且相距很近的点电荷构成的电荷体系，（l< 电介质击穿 dielectric breakdown 在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力的现象。分为固体电介质击穿、液体电介质击穿和气体电介质击穿3种。 固体电介质击穿导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击穿场强，又称介电强度）。它反映固体电介质自身的耐电强度。不均匀电场中，击穿电压与击穿处介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体介质的介电强度。固体介质击穿后，由于有巨大电流通过，介质中会出现熔化或烧焦的通道，或出现裂纹。脆性介质击穿时，常发生材料的碎裂，可据此破碎非金属矿石。固体电介质击穿有3种形式：电击穿、热击穿和电化学击穿。电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。热击穿是因在电场作用下，电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。电化学击穿是在电场、温度等因素作用下，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最终丧失绝缘能力。固体电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。 液体电介质击穿纯净液体电介质与含杂质的工程液体电介质的击穿机理不同。对前者主要有电击穿理论和气泡击穿理论，对后者有气体桥击穿理论。沿液体和固体电介质分界面的放电现象称为液体电介质中的沿面放电。这种放电不仅使液体变质，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使固体介质内产生气泡。经多次作用会使固体介质出现分层、开裂现象，放电有可能在固体介质内发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。脉冲电压下液体电介质击穿时，常出现强力气体冲击波（即电水锤），可用于水下探矿、桥墩探伤及人体内脏结石的体外破碎。 气体电介质击穿在电场作用下气体分子发生碰撞电离而导致电极间的贯穿性放电。其影响因素很多，主要有作用电压、电板形状、气体的性质及状态等。气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、高气压电击穿、冲击电压击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿等。空气是很好的气体绝缘材料，电离场强和击穿场强高，击穿后能迅速恢复绝缘性能，且不燃、不爆、不老化、无腐蚀性，因而得到广泛应用。为提供高电压输电线或变电所的空气间隙距离的设计依据（高压输电线应离地面多高等），需进行长空气间隙的工频击穿试验。 第一章 电介质基本物理知识 电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。 在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作经验来进行解释和判断。 第一节电介质的极化 一、极化的含义 电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。 （一）电子极化 电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为1015 s。它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。 （二）原子或离子的位移极化 当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电 场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。离子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形成正负电荷距离。 原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为1013-s。（三）偶极子转向极化 电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它的正负电荷作用中心不重合。当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观的看，电介质不呈现极性。在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。整个电介质也形成了带正电和带负电的两级。这类极化受分子热运动的影响也很大。偶极松弛极化的电介质有胶木、橡胶、纤维素等，极化为非弹性的，极化时间约为1010---102-s。 （四）空间电荷极化 介质内的正负自由离子在电场作用下，改变其分布状况，在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化，其极化过程缓慢。 （五）夹层介质界面极化 由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质，叫做夹层电介质。由于各层中的介电常数和电导率不同，在电场作用之下，各层中的电位， 第二节电介质的损耗 作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能,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。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。 1 损耗的形式 ①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。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。 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，与电导一样,是随温度的增加而急剧增加的。 ②极化损耗： 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关,也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下,损耗都有最大值。用tgδ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。` ③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。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中,导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电,这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。 ２介质损耗的表示方法 在理想电容器中，电压与电流强度成90o ，在真实电介质中,由于GＵ分量，而不是90o。此时,合成电流为： ； 故定义: ——为复电导率电介质击穿
电介质基本物理知识
电介质的损耗