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电介质极化率的实验测量与计算实验目的：1. 掌握测量电介质极化率的实验方法。
2. 了解电介质极化率的计算方法。
3. 分析电介质极化率与材料性质的关系。
实验仪器与材料：1. 电容器：由两个平行板组成，板间距离为d。
2. 万用表：用于测量电容器的电容值。
3. 直流电源：提供电压给电容器。
4. 料油：一种常用的电介质材料。
实验步骤：1. 准备工作：a. 将两个平行板洗净，并用纸巾擦干净。
b. 需要注意的是，平行板之间不应有灰尘、水分或其他杂质，以免影响实验结果。
2. 测量电容值：a. 将电容器连接到万用表上，并调整万用表至电容测量模式。
b. 调整直流电源，以便在电容器上施加一个适当的电压，一般为几伏特。
c. 读取万用表上的电容值。
3. 计算电介质极化率：a. 由于电容器是平行板电容器，电容值与电介质极化率的关系可以由以下公式表示：C = ε0 × εr × A / d其中，C为电容值，ε0为真空中的介电常数，εr为电介质的相对介电常数，A为平行板的面积，d为平行板之间的距离。
b. 根据上述公式，即可求得电介质的相对介电常数εr。
4. 分析实验结果：a. 根据电容值和求得的电介质相对介电常数，计算出电介质的极化率。
b. 对比不同材料的极化率，分析其差异。
c. 根据实验结果，讨论电介质极化率与材料的性质之间的关系。
实验注意事项：1. 上述实验步骤仅针对平行板电容器实验，不适用于其他类型的电容器。
2. 实验过程中应注意安全，接线正确，并且不要将电压过高，以免造成触电或损坏设备。
3. 测量结果应多次测量取平均值，以减小误差。
4. 实验时应注意平行板电容器板间距离的准确测量。
实验结果：根据实验测量得到的电容值和已知参数，可以计算出电介质的相对介电常数和极化率。
通过多次测量和计算，可以得到不同材料的极化率数据，并且可以对比不同材料的性质差异。
根据实验结果，可以分析电介质极化率与材料性质的关系，进一步了解电介质的特性和应用。
四、电极化强度（Polarization ）宏观上，电介质极化程度用电极化强度矢量来描述。
1. 电极化强度矢量（1）定义：ΔV pP iiΔV ∑=lim，其中i p 是第i 个分子的电偶极矩。
P 称为电极化强度。
单位为：2-⋅m C 。
1．引入——定量描述电介质在外电场作用下的极化程度在电介质内取一宏观小体积ΔV ，在没有外电场时，电介质未被极化，此小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。
外电场越强，分子的电偶极矩的矢量和越大。
因而可以用单位体积中分子的电偶极矩的矢量和来表示电介质的极化程度。
2．电极化强度的定义单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作电介质的电极化强度。
V p P ∆=∑3．关于电极化强度的说明电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量； 单位：C ·m-2——与电荷面密度的单位相同；若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。
4．电极化强度和极化电荷面密度的关系以平板电容器为例来讨论。
在电介质中取一长为d 、面积为ΔS 的柱体，柱体两底面的极化电荷面密度分别为-σ’和+σ’，这样柱体内所有分子的电偶极矩的矢量和的大小为∑∆'=Sdp σ因而电极化强度的大小为σσ'∆∆'=∆∑＝＝SdSd Vp P即：平板电容器中的均匀电介质，其电极化强度的大小对于极化产生的极化电荷面密度。
一般情况下：n P⋅='σ'iSq S d P ∑-=⋅⎰⎰ ——极化电荷总量的负值例：如图所示，当θ<π/2时，σ’>0，正的极化电荷 当θ>π/2时，σ’<0，负的极化电荷三、电介质中电场强度 介电常数 （极化电荷和自由电荷的关系） 1．电介质中电场强度电介质在电场中将产生极化现象，出现极化电荷，反过来又将影响原来的电场。
以平板电容器为例。
设平板电容器的极板面积为S 、极板间距为d ，电荷面密度为σ0，放入电介质之前，极板间的电场强度的大小为σ0/S 。
直流电晕笼中的合成场强和离子电流的计算维普资讯 ////0>.第卷第期. .高电压技术年月 .?直流电晕笼中的合成场强和离子电流的计算李秋玮 ,赵宇明 ,惠建峰 ,关志成 ,王黎明.清华大学深圳研究生院,深圳; .清华大学电机系,北京摘要:为了更好地解决高压直流输电线路中电磁环境问题,需要研究高压直流线路的电晕特性,而电晕笼是研究导线电晕特性的重要实验设备。
因此,采用有限元法和通量管法分别求解了电晕笼内单极导线结构的电场和空间电荷密度,提出了电晕笼中导线表面空间电荷密度初值计算公式。
计算中考虑了导线周围电离层的影响,并根据最小临界电离电场计算出一个电势作为新的边界条件。
通过对比电晕笼内部的电晕电流、电场和离子电流密度分布的计算和测量数据,验证了算法的有效性。
关键词:电晕笼;导线电晕;有限元;空间电荷;合成场强;离子电流中图分类号: . 文献标志码: 文章编号: ? ? ? ?,? ,, ? ’。
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. , ,, ;. ,, , : ? . ,?. . , ?. .? . ? . :; ;; ; ;被用来计算合成电场。
?, 一引言等人采用通量管法求解电流连续性方程来计算空间电荷密度。
,等人采用特目前国内第一条交流示范线路已开征线法求解电流连续性方程来计算空间电荷密工,世界最高电压等级的±直流输电工程也度】。
等人考虑了导线周围电离层即将付诸实施,我国特高压电网建设已全面启动。
的存在,通过引入最小临界电离电场计算了电离层依托特高压试验基地开展特高压试验研究,为特高压的厚度及电压降】。
但是,对电晕笼中的离子场工程建设提供设计依据是很重要的环节,尤其是电磁的研究却较少。
等人对电晕笼中导线电晕环境问题的试验研究更是迫在眉睫。
为了更好地解的性质进行了试验研究。
决电磁环境问题,需要研究高压直流线路的电晕特性空间电场、离子流密度和电晕电流等方面】。
计算模型电晕笼是研究导线电晕特性的重要实验设备,. 计算方程它可在较低实验电压下,方便、准确地测量交直流输单极导线结构中离子场的描述方程为:电线路的各种电晕特性。
—.驻极体及其制备常见的电介质在外电场作用下发生极化,当去除外电场,电介质的极化现象也随之消失.驻极体是具有长久电荷的电介质,它的电荷可以是因极化而被“冻结”的极化电荷,也可以是陷入表面或体内“陷阱” 中的正、负电荷.与钢棒经磁化后具有剩磁成为永磁体类似,人们也把具有长久保留电荷的电介质叫永电体,习惯上称为驻极体。
1919年日本海军大学的江口元太郎甚首次人工制成驻极体.当时用巴西棕榈蜡与松香的等量混合,再加些蜂蜡,熔融至130摄氏度,加上15千伏每厘米的电场,冷却凝固后,去掉电场,便制成驻极体.这种制备方法热极化法.随着人们对驻极体的研究和应用,制备的材料不再用天然材料的混合物,而是大量使用人工制造的聚合物资料,如聚四氟乙烯(PTFE),聚偏二氟乙烯(PVDF)等,聚合物驻极体具有更好荷电能力优良的机械性能,可制成微米量级的薄膜.用热极化法制备时,加热温度应稍高于聚合物的玻璃化温度(聚四氟乙烯约150~200摄氏度),所用电场约0.1~1千伏每厘米,极化时间约几分钟到1小时,此期间保持恒温.而制备方法除热极化法之外,还有电晕法,电子射线法和液体接触法等。
二驻极体电荷情况驻极体荷电情况是比较复杂的,包括有表面电荷、极化电荷和体电荷.表面电荷是由于介质表面存在杂质、氧化物、被切断的分子链等形成聚合物的表面陷阱,可能捕捉正、负电荷成为表面电荷;在电介质中,偶极子的每一个平衡位置对应着位能的极小值,当获得附加能(如加热)或在外电场作用下使位阱偏斜,就有可能超出原来的位阱,而沿外电场方向整齐排列,冷却后,偶极子就被“冻结”在电场方向上,形成永久极化电荷;在聚合物体内往往有杂质离子及各种缺陷,形成了正、负电的陷阱,在外电场的作用下,正负离子将向两极分离,并可能被陷阱捕获,外界电荷也可能注入介质内的陷阱中,形成永久性电荷,这种电荷称体电荷.在实际应用中,多数情况下不必详细了解驻极体具体的荷电情况,只要了解介质表面或它与电极之间气隙的电场,这时,可用等效表面电荷的概念来描述驻极体的荷电特性.设想驻极体的全部电荷折合成一定数量集中在表面,而内部好象没有电荷,如果这种折合表面电荷在表面及气隙中所产生的场强与实际场强相等,这种折合表面电荷就叫做等效表面电荷。
利用电介质极化公式解答极化问题电介质极化是电学中的一个重要概念，描述了电介质内部原子或分子的极化现象。
通过电介质极化公式，我们可以解答与极化相关的问题。
本文将介绍电介质极化的基本原理以及如何利用极化公式解答极化问题。
一、电介质极化的基本原理电介质是一种具有不良导电性能的物质，其内部的原子或分子能够相对于原子核或电子云发生极化。
这种极化现象产生的极化电荷会产生电场，从而改变物质的电特性。
电介质极化的基本原理可以通过电位移矢量D和极化矢量P的关系来描述。
电位移矢量D表示单位体积内的电荷分布情况，而极化矢量P表示单位体积内的极化电荷。
两者之间的关系可以用以下的电介质极化公式表示：D = ε0E + P (1)其中，ε0为真空中的介电常数，E为电场强度。
二、利用电介质极化公式解答极化问题的步骤通过电介质极化公式，我们可以解答与极化相关的问题。
以下是解答极化问题的一般步骤：1.了解已知条件：首先，我们需要明确已知条件，包括电介质的性质、电场强度等。
2.确定所要解答的问题：根据已知条件，明确需要回答的问题是什么。
3.应用电介质极化公式：根据已知条件和所要解答的问题，应用电介质极化公式(1)来求解。
4.代入数值计算：将已知条件代入电介质极化公式(1)中，计算出未知量的数值。
5.对结果进行分析：根据计算结果，分析极化现象的特点和影响因素。
6.推论与应用：通过分析结果，可以推论出与极化相关的其他问题，并应用于实际情况。
三、案例分析为了更好地理解如何利用电介质极化公式解答极化问题，我们以一个简单的案例进行分析。
假设有一块电介质，其极化率P为0.5 C/m^2，电场强度E为10V/m，我们需要求解该电介质的电位移矢量D。
根据电介质极化公式(1)，将已知条件代入计算：D = ε0E + P= (8.85×10^-12 C^2/N·m^2)(10 V/m) + 0.5 C/m^2≈ 8.85×10^-11 C/m^2 + 0.5 C/m^2≈ 0.5885 C/m^2根据计算结果，该电介质的电位移矢量D约为0.5885 C/m^2。
极化率公式
极化率（Polarizability）是指物质在外加电场作用下发生极化的程度。
它可以描述物质对加电场的响应能力。
极化率公式可以用来计算物质的极化率。
根据电磁学的理论，物质的极化率与物质的电导率和介电常数有关。
对于线性各向同性介质，其极化率与电场的关系可以用以下公式表示：
P = ε0 * α * E
其中，P表示物质的极化矢量，ε0是真空中的介电常数，α为物质的极化率，E为外加电场的强度。
需要注意的是，极化率是一个二阶的张量量，具体数值不仅取决于物质自身的性质，还与外加电场的方向有关。
在不同的材料和电场方向下，极化率的数值具有差异。
因此，在具体问题中，要根据所研究的物质和电场条件选择正确的极化率公式进行计算。
驻极体简介离子等),沉积到介用下,晶粒,2)子转移到其他部位,故被称为束缚电荷,通过一定的手段(如升温极化后降温)将这种有序取向冻结,再撤去外加电场就形成了驻极体,如图1-2。
图1-2极性驻极体中的偶极子取向1.2 极化方法驻极体的极化方法有很多种，大部分的极化方法是基于以下过程：把电介质材料放入电场中，并对其施加一额外的物理作用以加速带电粒子的迁移或缩短偶极弛豫时间。
其中的物理作用的形式可以是加热、辐照、施加磁场等。
即使在没有外电场作用是驻极态也会出现在电介质中。
例如，电介质的机械形变可以产生机械驻极体；电晕放电时的电介质充电过程可以产生电晕驻极体；摩擦诱发的电气化过程可以产生摩擦驻极体等。
现将常用的驻极体极化方法简要介绍如下。
1)1-3其中r i是并在样品捕获电荷的横向分布均匀，同时可以有效地控制样品的注入电荷密度。
2)热极化热极化法是在一定的高温下对电介质材料施加一外电场，使热活化的分子偶极子沿电场方向取向或将空间电荷经电极注入电介质，并在保持电场不变的情况下冷却至某一低温值，以冻结取向偶极子或促进空间电荷的捕获。
对于聚合物材料，热极化温度通常选定在材料的玻璃相变温度与熔点之间。
外电场可以通过样品表面的蒸镀电极或外加电极作用于电介质上。
热极化时，会同时存在三种充电现象：第一种是偶极子取向极化或者是由电介质内介电吸收的电荷分离形成异号电荷的内部极化；第二种是由于气隙间的火花放电在样品表面和体内沉积的同号电荷；第三种是通过接触电极注入同号电荷。
这些现象中哪一种起主导作用和电介质材料以及充电电极的几何形状、充电过程的温度、充电电场的大小以及电极与材料界面处的物理状况由密切的关系。
3)如图1-4?2，厚度为d1。
而J=J4)软软致电离的作用下会产生大量的离子。
在外加偏置电压的作用下，部分载流子会被电介质捕获并向介质内部转移，从而形成驻极体。
除此之外，还有一种利用软X光来极化“垂直”驻极体的方法，该方法的示意图如图1-5（b）所示。
电介质极化强度矢量P定义：为了定量描述电介质内各处的极化情况，我们引入一个矢量P，它等于单位体积内的电矩矢量和，即P称为极化矢量，单位是库仑/米2。
极化电荷的分布与极化矢量的关系:如图:在极化了的电介质内取一个面元矢量dS=ndS,其中n为单位法线矢量。
现考虑因极化而穿过此面元的极化电荷。
穿过dS的电荷所占据的体积是以dS为底、长度为l的一个斜柱体（如上图）。
设 l 与n 的夹角为θ，则此柱体的高为lcosθ ，体积为ldscosθ 。
因为电位体积内正极化电荷数量为nq，故在此柱体内极化电荷总量为:，这也就是由于极化而穿过dS的束缚电荷。
因极化而穿出此面的束缚电荷总量应等于S面内净余的极化电荷负值，即:,此式表达了极化强度矢量P与极化电荷分布的一个普遍关系。
退极化场:极化电荷和自由电荷一样，在周围空间（无论介质内部或外部）产生附加的电场E’ 。
因此根据场强叠加原理，在有电介质存在时，空间任意一点的场强E是外电场E0和极化电荷的电场E’ 的矢量和：E=E0+ E’ 。
一般来说，E’ 的大小和方向都是逐点变化的。
决定介质极化程度的不是原来的外场E0，而是介质内实际的电场E。
E减弱了，P也减弱。
所以极化电荷在介质内部的附加场E’ 总是起着减弱极化的作用，故叫做退极化场。
电介质的极化规律极化率:对于不同的物质，P与E的关系（极化规律）是不同的，这要由实验来确定。
实验表明，对于大多数常见的各向同性电介质，P与ε0E 方向相同，数量上成简单的正比关系。
因此可以写成，比例常数叫做极化率，它与场强E无关，与电介质的种类有关，是介质材料的属性。
电位移矢量D与有介质时的高斯定理介电常数高斯定理是建立在库仑定律的基础上的，在有电介质存在时，它也成立，只不过计算总电场的电通量时，应计及高斯面内所包含的自由电荷q0和极化电荷q’：（1）前面我们推导过下列公式：（2）将（1）式乘以ε0，与（2）式相加，可以消去极化电荷，得：现引进一个辅助性的物理量D,它的定义为:(3)D叫电位移矢量,或电感应强度矢量,上面的公式可用D改写作：由于 ,代入(3)式得 :其中, 比例系数叫做电介质的相对介电常数.。
