电工材料及应用课件.ppt

1：結構損耗；2：鬆弛損耗，3：電導損耗；4：總損耗玻璃中各種介質損耗與溫度的關係電工材料及應用絕緣材料是指電導率較低(一般在10-9~10-10s/m之間),用來限制電流使其按一定途徑流動的材料(如在電機,變壓器,電器,電纜中的絕緣);另外,還有利用其”介電”特性建立電場以貯存電能的材料(如電容器).電介質是指能在電場中極化的材料.而電介質多數是優良的絕緣材料,故兩者經常通用.電介質一般是絕緣體。但廣義的電介質還包括半絕緣體和某些處於特殊狀態下的半導體（如載流子耗盡狀態下的半導體）材料的介電性能是電介質的主要特徵，它以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用和效應。電極化中的電荷主要指那些束縛在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部區域內的束縛電荷。本章介紹電介質與絕緣材料的基本概念和性能,並揭示電介質材料宏觀介電性能的一些微觀機制。各種束縛電荷在不同頻率的交變電場作用下表現出不同的電極化行為，並進行決定著電介質材料的各種性能。§0電介質分類電介質按其分子中正負電荷的分佈狀況不同可分為:中性電介質偶極電介質離子型電介質§1介質極化的基本概念電偶極矩的單位為C.m(庫侖.米).在分子物理中，常用德拜(D)為單位，1D等於10-18cgs(靜電單位)，相當於3.33×10-28C.cm。H2O的電偶極矩為1.85D,HCl的電偶極矩為1.08D.一、定義及有關物理量1、電偶極矩：由大小相等、符號相反、彼此相距為l的兩點電荷(+q、-q)所組成的束縛系統，稱為偶極子，偶極子的大小和方向常用電偶極矩μ來表示(方向由負電荷指向正電荷)2、極化強度：單位體積內的電偶極矩總和稱為極化強度，用P表示在電介質中，由電磁學理論有3、電介質的極化率χ和相對介電常數ε(庫/米2)其中因此，在描述物質的介電性質時，使用相對介電常數ε和宏觀極化率χ在物理上等價的。二、電極化的微觀機構由物質的組成可以知道，物質的宏觀電極化是組成物質的微觀粒子在外電場作用下發生微觀電極化的結果，通常，微觀粒子在外電場作用下而產生的電矩與場強存在如下關係：式中α稱為微觀極化率。粒子的微觀極化率可能來自多種原因，一般情況包括電子雲位移極化（其極化率用αe表示）、離子位移極化（其極化率用αi表示）、偶極子轉向極化（其極化率用αd表示）等1、電子雲位移極化：沒有受電場作用時，組成電介質的分子或原子所帶正負電荷中心重合，對外呈中性。受電場作用時，正、負電荷中心產生相對位移(電子雲發生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程)，中性分子則轉化為偶極子，這種過程就是電子雲位移極化。電子雲位移極化存在於一切氣體、液體及固體介質中。（1）電子雲位移極化率：理論計算值取決於所採用的粒子模型，由點狀核球狀負電殼體模型或圓周軌道模型(玻爾模型)計算出的電子極化率為：（2）電子雲位移極化的特點：a)形成極化所需時間極短(因電子品質極小)，約為10-15ｓ，在一般頻率範圍內，可以認為ε與頻率無關；b)具有彈性，當外電場去掉時，作用中心又馬上會重合而整個呈現非極性，故電子式極化沒有能量損耗。c)溫度對電子式極化影響不大。在數量級上上述各種情況均相同，其值都在10-40F·m2，與實驗結果相吻合。由量子力學計算給出的電子極化率為2、離子位移極化：離子晶體中，無電場作用時，離子處在正常格點位置並對外保持電中性，但在電場作用下，正、負離子產生相對位移，破壞了原先呈電中性分佈的狀態，電荷重新分佈，相當於從中性分子轉變為偶極子產生離子位移極化.離子位移極化主要存在於離子化合物材料中，如雲母、陶瓷材料等。（1）離子位移極化率：以NaCl為例，在外電場E作用下，正、負離子相對自己原來位置發生△r大小位移，在△r不大時，離子達到平衡的條件是電場作用力與離子的恢復力相等，即（2）離子位移極化的特點：a)形成極化所需時間很短，約為10-13ｓ。在頻率不太高時，可以認為ε與頻率無關；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個相反因素的影響：溫度升高時離子間的結合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。通常，前一種因素影響較大，故ε一般具有正的溫度係數，即隨溫度升高，出現極化程度增強趨勢的特徵。3、偶極子轉向極化：極性電介質中，存在具有固有偶極矩μ0的偶極子。無外電場時，偶極子排列混亂，使∑μi=0；加外電場時，偶極轉向，成定向排列，從而使電介質極化.（1）偶極子極化率：具有固有電偶極矩μ0的偶