天津理工大学大学物理电介质

击穿的特性
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。

tg
有功功率 wE 无功功率 wE
wE为有功电流密度 wE为无功电流密度

D0 sin E0
* 复介电常数
实部：为电介质的电容率，和介电常数一样表示电容性 虚部: 为损耗因子，表示介质中能量损耗大小 w0，s是静态介电常数
i i
如外加电场持续时间足

I（ （ C s C ） a t ）
0
全电流公式:
I(t ) C


I
a
(t)

I i (t t i ) (C
S
C

i1
) U ( t i ) ( t t i )
i1
dU ( t ) (C dt
s
C

)
0
dU ( t x ) ( x ) dx G U ( t ) dt
4．计算: 1） 直流电场下:不存在介质极化损耗 a.理想介质时，没有漏电流产生，也就没有的损耗 b.实际介质时，存在漏导，电阻不是无穷大 单位时间内介质的能量损耗： P U 2 / R E 2V 单位时间、单位体积、消耗的能量： 实际介质 理想介质 I
V C
漏导损耗与温度的关系
p
P V E2 jV E V
4
三、Kramers-Kröning关系式
目的：研究复介电常数的频率特性 关键：在于后效系数的确定 过程： ①利用全电流公式
I (t ) C dV ( t ) (C s C ) dt
1:位移电流
2:吸引电流 4:总电流 3:漏导电流
5:绝缘电阻


0
dV ( t x ) ( x ) dx GV ( t ) dt

10
5）其他 按照介质成分均匀度进行分类： 均匀电介质 ( 如聚苯乙烯 ) 非均匀电介质 ( 如电容器纸—聚苯乙烯薄膜复合介质 )。 还有别的分类： 块状介质 膜状介质。
分类研究电介质，有利于将其性能研究统一在物质共同 属性基础之上，便于总结出介电性能与材料组成、结构 之间相互关联的规律。
整理ppt
4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
整理ppt
9
极性介质： 由正、负电荷中心不重合的极性分子组成。 如电容器纸的主要成分—纤维素及聚氯乙烯薄膜等。
整理ppt
具有上述极化能力的物质就是电介质。 1）静电场中，电介质内部能够存在电场； 2）电介质内部束缚电荷 这种物理现象和过程与金属有明显的区别：
在静电平衡态，金属导体内部，不存在自由电荷，其内部电 场是等于零的。或者说，金属导体内不存在束缚电荷。
这一事实，已在静电学中应整用理高ppt 斯定理得到了证明。
2
需要明确的两个概念
电介质
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
工程上应用的电介质与理想的电介质不同，主要区别是：
实际电介质在电场作用下存在漏电流和电能的耗散，甚至在 强电场下，实际电介质还可能被破坏。
因此，除了要研究电极化外，还要研究电介质的电导、损耗、 击穿等特性。这些就是电介质物理需要研究的主要问题。

c
f E 它的 P E曲线如图。
0
oa……电极化有饱和现象。
d -Pr e
Pr ……剩余电极化强度。 封闭曲线称为“电滞曲线”
铁电体的相对介电常数很大 , r :102～104
所以可以作成体积小，电容量大的电容器。
而且 r 随 E 而变，即电容量随电压而变，
可以作成“非线性电容器”。
二. 压电效应 铁电体和某些晶体（石英,电气石等）, 在拉伸或 压缩时也会发生极化现象， 在某些表面上出现极化电荷。 这称为 压电效应。
0 。
ΔV
ΔV
（ P 是常矢量）
以后可知，在静电场中的各向同性均匀电介质内，
无自由电荷处，必无极化体电荷。
为什么带静电的梳子 能吸引小纸屑、水柱？
应用举例：
静电喷漆
静电空气清洁机
五、电介质的击穿
当外电场很强时，电介质的正负电中心 有可能进一步被拉开,出现可以自由移动的 电荷,电介质就变为导体了，这称为击穿。
设 D D（r）rˆ
过场点 P 作高斯面 S如图，半径为 r
r
R1
S
D d s q0
S D 4 π r 2 q0
R2
r
0
导体q0
P D E

D

q0 4πr2

rˆ
此式对导体外的电介质、电 介质外的真空区域都适用。
D

q0 4πr2
rˆ
•电介质内：场点 E介质内 D
9.2 电容器及电容 capacitor ， capacity
一.孤立导体的电容
定义
给定孤立导体，有 U Q C Q
单位（ SI ）:法拉 F