电介质极化的概念以及在高压绝缘领域应用分析

电介质极化的概念以及在高压绝缘领域应用分析

介质的分类

对单个原子，它在空间的电效应等效为一个电偶极子。分子是由原子组成的，

构成分子的所有原子的电偶极矩的矢量和形成分子固有电矩。根据分子固有电矩是否为零，把电介质分子分为有极分子和无极分子。固有电矩为零的电介质分子称为无极分子，最简单的是氢原子。按照经典的看法，电子绕原子核作圆周运动。任何时刻，原子有一电偶极矩Ｐ，不过Ｐ的方向随时间迅速变化，因此Ｐ的时间平均值为零。还有一些分子，如H2，N2，????2,??????4等，分子中电子云的分布相对于正电中心呈球对称性，每个分子的电偶极矩Ｐ=0。所以，电磁学中把无极分子看成是中心重合的正负电荷。

固有电矩不为零的电介质分子称为有极分子，如??2??,HCl,CO等，电荷分布不

是球对称的。整个分子净电荷虽然为零，但其电偶极矩却不为零。由无极分子组成的电介质，因为每个分子都无电性，故整个电介质不产生电场；由有极分子组成的电介质，虽然每个分子具有一定的固有电矩，但由于分子热运动的无规则性，分子固有电矩在空间的分布是无规则的。在任何宏观大、微观小的区域内，各分子电偶极矩的矢量和为零,因此宏观上不产生电场。

电介质极化分类与描述

在外电场中，无极分子的正电荷中心与负电荷中心分别受到相反方向的作用

力，结果正负电荷的中心被拉开一定的距离,形成一个电偶极子,具有一定的电矩,称为感应电矩。电矩的方向与外场的方向相同，因而显示出宏观的电偶极矩。由于原子荷的质量比电子质量大的多，无极分子在外电场作用。

有些电介质是离子晶体。离子晶体在电场的作用下,正负离子将发生位移，从

而极化。这种极化称为离子极化。对于有极分子，电场对电偶极子有力矩的作用，力矩有使各分子的电矩都转向电场方向的趋势，但是分子的热运动将破坏各电矩的有规则排列。因此，并不是所有的分子的电矩都取向电场的方向。当然，电场越强,分子电矩沿电场方向的排列就越整齐，此时也会出现“位移极化”。但一般来说,取向极化的效应比位移极化要强的多,一般不用考虑位移极化。

电介质的极化过程是相当复杂的,而且原子或分子系统是一个量子力学系统。

只有用量子力学,才能够对原子系统作出更为准确的描述。但是，我们关心的不是极化过程，而是已经极化的电介质所产生的宏观效应。从这一点考虑，可以把已经极化的电介质看作是大量电偶极子的集合，每个电偶极子具有一定的电矩,称为分子电矩，用Ｐ分子表示。各分子电矩在不同程度上沿着电场方向排列。至于分子的电矩是固有的还是感应生成的，对产生附加电场并无两样。

材料电介质极化参数与材料绝缘关系

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity)，又称诱电率。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。电介质经常是绝缘体。其例子包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料，和各种金属氧化物。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。当电磁波穿过

电介质，波的速度被减小，有更短的波长。 相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量:首先在其两块极板之间为空气的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后侧得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算εr=Cx/C0

介质损耗角正切(tgδ)是绝缘材料绝缘特性的重要指标之一。在工程中所有的

绝缘材料在外电场的作用下,由于绝缘介质导电(材料的导电能力)和介质极化(介质在电场作用下,构成电介质的分子或原子的电荷将产生相对的位移,这种位移造成正负电荷中心不再重合,这种现象称为介质极化)的滞后效应,并在其内部产生能量的损耗。这种能量的损耗在检测中是以介质损耗角正切来表征。对绝缘介质损耗角正切值大小的要求,往往与其使用条件和使用场合而有所不同,通常对高频绝缘(通信电缆用聚乙烯)或高压电缆绝缘(交联聚乙烯),往往要求其具有极小的介质损耗角正切。因为绝缘介质损耗会引起介质内部发热损耗,而这种损耗引起的功率损耗与使用的频率和电压成正比。

参考文献

[1]任丽英,于斌.电介质极化的研究[J].西华大学学报.2008,6(27):95-98 [2]马磊,刘玮蔚,陈上吉.介质损耗角的算法研究分析[J]. 河南电力. 2009(03) [3]电介质极化的进一步讨论[J]. 工科物理. 1997(04)

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