电介质极化的原理与应用

1.电介质的极化和介电系数

电介质在外加电场作用下，在相对电极的两个面上出现正、负电荷，使电介质呈现极性的现象，称为电介质的极化。极化现象如图1-1所示。

图1-1所示的平行板电容器，先放在密闭的容器内将极间抽成真空，而在极板上施加直流电压U，这时极板上积聚有正、负电荷，其电荷量为Q。然后把一块厚度与极间距离相等的固体介质放在极板之间，施加同样的电压，就会发现极板上的电荷量增加到Q₀＋Q（见图1-1b）。这是由于电介质极化现象造成的：即外加电场作用下，此固体介质中原来极板上另外吸住了一部分电荷Q′。所以极板上电荷增移，并造成电容量也增大，平行板电容器在真空中的电容量为

图1-1 极化现象

a）电极间为真空 b）电极间有固体介质

式中 A——极板面积（m²）；

d——极间距离（m）；

ε₀——真空的介电系数，为1／36×10^－9 F／m。

极板间插入固体介质后，电容量增为

由上面两式可得

ε_r称为介质的相对介电系数。各种电气的ε_r均接近于1，而常用的液体、固体介质的ε_r则各不相同，大多数在2～6，而且各种介质的ε_r与温度、电源频率的关系也不一致，且与极化形式有关。

2.极化种类

介质的极化种类很多，其最基本的形式为电子式、离子式和偶极子极化三种，另外还有夹层介质界面和空间电荷极化等。

1）电子式极化如图1-2所示，当物质原子里的电子轨道受到外电场的作用时，它将相对于原子核产生位移，这就是电子式极化。这时原子中正、负电荷作用中心不再重合，其极化强度与正、负电荷作用中心的距离d成正比，且随着外电场的增加而增大。

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图1-2 电子式极化

电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。它有两个特点：①形式极化所需的时间短（因电子质量极小），约为10^－15 s，即它在各种频率范围内均能产生，故其ε_r不随频率而变化；②它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，其作用中心又重合而呈中性，所以这种极化没有损耗。

温度对电子式极化影响不大，温度升高时，电子与原子核的结合力减弱，极化略有加强，但温度升高使介质密度变小，导致极化减弱。在上述两种相反的作用中，后者略占优势。一般ε_r有很小的负温度系数，工程上可以忽略不计。

2）离子式极化如图1-3所示。固体无机化合物多数属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场时，每个分子的正、负离子作用中心是重合的，故不呈现极性，如图1-3a所示。在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极性，如图1-3b所示。离子式极化也属弹性极化，几乎没有损耗，极化过程所需时间也很短，约为10^－13 s，所以在一般使用的频率范围内，可以认为ε_r与频率无关。

温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素：①离子间结合力随着温度升高而降低，使极化程度增加；②离子的密度会随温度升高而减小，使极化程度降低。通常以前一种因素影响较大，所以其ε_r一般具有正温度系数。

图1-3 离子式极化

a）无外电场时 b）有外电场时

3）偶极子极化如图1-4所示。偶极子是一种特殊的分子。它的正、负电荷作用中心不重合，因而形成一个永久的偶极矩。具有这种永久性偶极子的电介质为极性电介质。例如蓖麻油、橡胶、胶木和纤维素等均是常用的极性绝缘材料。

当没有外电场时，单个的偶极子显然具有极性，但各个偶极子处在不停的热运动之中，分布非常杂乱，对外的作用互相抵消，整个介质对外并不呈现极性，如图1-4a所示。在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排列，因而显示出极性，如图1-4b所示。

偶极子极化是非弹性的，极化时消耗的电场能量在复原时不能收回（极性分子旋转时要克服分子间的吸引力，可想象为分子在一种黏性的媒质中旋转需克服阻力一样）；极化所需的时间也很长，约为10^－10～10^－2s。因此，极性介质的ε_r与电源频率有较大的关系，频率很高时偶极子来不及随电场转动，因而其ε_r减小。

图1-4 偶极子极化

a）无外电场时 b）有外电场时

温度对极性介质的ε_r有很大的影响，温度高时，分子热运动加剧，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，所以极性气体介质常具有负温度系数。但对液体、固体介质则情况有所不同，温度过低时，由于分子间联系紧，分子难以转向，所以ε_r也变小（此时剩下的主要是电子位移极化）。当温度高时，分子间联系减弱，分子便于取向，此时ε_r将随温度的升高而增加，以后当热运动变得较强烈时，ε_r又随温度上升而减小。

4）夹层式极化。上面介绍的均是单一均匀介质的情况。实际上设备的绝缘往往由几种不同的介质组成，或介质是不均匀的。在这种情况下，还会产生“夹层介质界面极化”现象。这种极化过程十分缓慢，并且伴随有能量损耗。

5）空间电荷极化。介质中的正、负自由离子在电场作用下改变分布情况时，便在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和夹层介质界面极化现象一样是缓慢进行的。所以在交变电场，仅在低频至超低频阶段才有这种极化现象存在，而在高频时因空间电荷来不及移动，因此就没有这种极化现象。