3.1 固体电介质的极化与损耗 3.1.1 固体电介质的介电常数 3.1.2 固体电介质的损耗 返回 电介质的介电常数也称为电容率，是描述电介质 极化的宏观参数。电介质极化的强弱可用介电常数的 大小来表示，它与该介质分子的极性强弱有关，还受 到温度、外加电场频率等因素的影响。 3.1.1 固体电介质的介电常数 电介质的相对介电常数为 式中，D、E分别为电介质中电通量密度 、宏观电场强度。 (3-1) 平板电容器的介电常数 图3-1 平板电容器中的电荷和电场分布 (a)真空 (b)充以介质 电荷面密度 极板间真空中的电场强度 (3-2) 视频链接 真空电容器的电容量为 当极板间充以均匀各向同性的电介质时（见 图3-1 (b)），在电场作用下电介质产生极化， 极板上自由电荷面密度应为 (3-3) (3-4) 充以电介质后电容器的电容量为 显然，极板间充以电介质后，由于电介质的极 化使电容器的电容量比真空时增加了，因此，可以 用充以介质后电容量的变化来描述电介质极化的性 能。 (3-5) 电容器充以某电介质时的电容量C与真空时电容 量C0的比值为该介质的相对介电常数，即 是一个相对的量，叫做相对介电常数，是大于 1的常数。 (3-6) 根据电介质极化强度P的定义，当电介质中每个 分子在电场方向的感应偶极矩为 时，则有 式中，N电介质单位体积中的分子数。 若作用于分子的有效电场强度为 ，则分子的感 应偶极矩可以认为与 成正比，即 式中，比例常数 称为分子极化率，在SI单位 制中的单位为 。 (3-8) (3-9) 于是根据式（3-8）和式（3-9），可得电介质极 化的宏、微观参数的关系为 亦可写成 上式建立了电介质极化的宏观参数 与分子微观 参数 的关系。一般来说，作用于分子上的电 场强度 不等于介质中的宏观平均电场强度E，称Ei为 电介质的有效电场或内电场。式（3-11）又称为克劳 休斯（Clausius）方程。 (3-10) (3-11) 1. 非极性固体电介质 这类介质在外电场作用下，按其物质结构只能发 生电子位移极化，其极化率为 。 如不考虑聚合物微观结构的不均匀性（高分子聚 合物中晶态和非晶态并存）和晶体介质介电常数的各 向异性，非极性固体介质的有效电场 （ 莫索缔有效电场），介电常数与极化率的关系符合克 莫方程。 2. 极性固体电介质 极性固体电介质在外电场作用下，除了发生 电子位移极化外，还有极性分子的转向极化。由 于转向极化的贡献，使介电常数明显地与温度有 关。 返回 3.1.2 固体电介质的损耗 在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在 的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导 引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质 损耗。 在电场作用下没有能量损耗的理想介质是不存在 的，实际电介质中总有一定的能量损耗，包括由电导 引起的损耗和某些有损极化引起的损耗，总称为介质 损耗。 图3-2 介质损耗角示意图 绝缘材料的介质损耗角正切就是损耗角的正切 值，可直接用tan表示。绝缘材料的损耗角是在其上 的外施电压与由此产生的电流之间的相位差的余角。 它是由介质电导以及介 质极化的滞后效应所引起的 。如图3-2所示 根据电流电压的相量关系，可得到复介电常数 。 绝缘材料的损耗指数 等于该材料的tan 与 相对介电常数 的乘积，即 由上述关系得 (3-15) (3-13)(3-14) 1. 固体无机电介质 普通的无机晶体介质，如氯化钠(NaCl)、石英和 云母等，它们只有位移极化，其介质损耗主要来源于 电导，tan与直流电导率 的关系为 （1）无机晶体 (3-16) （2）无机玻璃 玻璃的介质损耗可以认为主要由三部分组成：电 导损耗、松弛损耗和结构损耗。 它们与温度的关系如 图3-3所示。结构损耗与 玻璃结构的紧密程度有关 ，结构愈松，结构损耗一 般愈大。 图3-3 玻璃tan与温度的关系 1-电导损耗 2-松弛损耗 3-结构损耗 4-总介质损耗 （3）陶瓷介质 陶瓷可以分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类 ，第一类陶瓷是含有大量玻璃相和少量微晶的结构， 其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损 耗、结构较松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气 隙中含水引起的界面附加损耗，tan相当大。 第二类是由大量的微晶晶粒所组成，仅含有极 少量或不含玻璃相，通常结晶相结构紧密，tan 比 第一类陶瓷小得多。 2. 固体有机电介质 非极性有机介质，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚四 氟乙烯和天然的石蜡、地蜡等。它们既没有弱联系 离子，也不含极性基团，因此在外电场作用下只有 电子位移极化，其介质损耗主要是由杂质电导引起 的。这类介质的电导率一般很小，所以相应的tan值 也很小，被广泛用作工频和高频绝缘材料。 极性有机介质，如含有极性基的有机介质及天 然纤维等，它们的分子量一般较大，分子间相互联 系的阻碍作用较强，因此除非在高温之下，整个极 性分子的转向难以建立，转向极化只可能由极性基 团的定向所引起。 这类极性有机介质的损耗，主要决定于极性基 的松弛损耗，因而在高频下的损耗也很大，不能作 为高频介质应用。 小 结 返回 (本节完) 非极性固体电介质只能发生电子位移极化，而极 性固体电介质不仅发生电子位移极化，还有极性 分子的转向极化； 无机晶体介质损耗主要来源于电导，无机玻璃包 括了热离子极化和松弛效应，陶瓷介质的tan相差 很大； 非极性有机介质损耗由杂质电导引起，极性有机 介质在不同状态下 变化很大。