-電介質(zhì)的損耗(材料物理性能)

1、16.2 電介質(zhì)的損耗電介質(zhì)的損耗 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí) 1、什么是電介質(zhì)極化？2、給出克勞修斯-莫索蒂方程及其適用范圍。3、高介電晶體 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容1、介質(zhì)損耗產(chǎn)生的原因。2、介質(zhì)損耗的表征方法。3、介質(zhì)損耗的影響因素。2一、介質(zhì)損耗的產(chǎn)生一、介質(zhì)損耗的產(chǎn)生1. 1.介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。簡稱介損。能量損耗-轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能、光能等電介質(zhì)加熱電介質(zhì)加熱:電極之間加高頻電壓，因構(gòu)成電介質(zhì)的各個(gè)分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振電極之間加高頻電壓，因構(gòu)成電介質(zhì)的各個(gè)分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、碰撞、摩擦等激

2、烈運(yùn)動(dòng)，在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱。利用電介質(zhì)發(fā)熱的加熱動(dòng)、碰撞、摩擦等激烈運(yùn)動(dòng)，在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱。利用電介質(zhì)發(fā)熱的加熱方式為電介質(zhì)加熱。方式為電介質(zhì)加熱。+ + + + + + +_ _ _ _ _ _ _eee3電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗由由漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)電流引起，與引起，與自由電荷自由電荷有關(guān)，對(duì)電容器施加直流電壓，充電有關(guān)，對(duì)電容器施加直流電壓，充電電流隨時(shí)間增加而降到某一恒定的數(shù)值，這個(gè)電流稱為電流隨時(shí)間增加而降到某一恒定的數(shù)值，這個(gè)電流稱為電容器的漏電流電容器的漏電流。2. 2.介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)1) 1)介質(zhì)電導(dǎo)的滯后效應(yīng)介質(zhì)電導(dǎo)的滯后效應(yīng)- -電導(dǎo)損耗結(jié)論：電導(dǎo)

3、損耗實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功。絕緣好的液、結(jié)論：電導(dǎo)損耗實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功。絕緣好的液、固電介質(zhì)在工作電壓下的電導(dǎo)損耗很小，損耗隨溫度的增加而急劇增加固電介質(zhì)在工作電壓下的電導(dǎo)損耗很小，損耗隨溫度的增加而急劇增加. .+ + + + + + +_ _ _ _ _ _ _eee與離子電與離子電導(dǎo)陶瓷材導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)料的漏導(dǎo)現(xiàn)象的異現(xiàn)象的異同？同？4主要是因?yàn)樵谕怆妶?chǎng)作用下,材料內(nèi)自由電荷重新分布的結(jié)果。介質(zhì)漏導(dǎo)電流與離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)現(xiàn)象的異同？介質(zhì)漏導(dǎo)電流與離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)現(xiàn)象的異同？1 1離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)電流離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)電流在測(cè)量

4、陶瓷電阻時(shí)，加上直流電壓后，電阻需在測(cè)量陶瓷電阻時(shí)，加上直流電壓后，電阻需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能穩(wěn)定。切斷電源后，將要經(jīng)過一定的時(shí)間才能穩(wěn)定。切斷電源后，將電極短路，有反向放電電流，并隨時(shí)間減小到電極短路，有反向放電電流，并隨時(shí)間減小到零，隨時(shí)間變化的這部分電流稱為零，隨時(shí)間變化的這部分電流稱為吸收電流吸收電流，最后恒定的電流稱為最后恒定的電流稱為漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)電流。產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因-空間電荷效應(yīng)空間電荷效應(yīng)在電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子分別向負(fù)、正極移動(dòng)，引起介質(zhì)內(nèi)各 點(diǎn)離子密度變化，并保持在高勢(shì)壘狀態(tài)。在介質(zhì)內(nèi)部，離子減少，在電極附近離子增加，或在某地方積聚，這樣形成自由電荷的積累，稱空間電荷。+

5、 +- -5極化損耗由極化電流引起，介質(zhì)極化的建立引起電流，與極化松弛等有關(guān)；2）介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)：）介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)：極化損耗 時(shí)間時(shí)間VP只有緩慢極化過程才會(huì)引起能量損耗，如偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，這種極化損耗能量。極化損耗與溫度、電場(chǎng)頻率有關(guān)。+ + + +_ _ _ _+-63 3）常見介質(zhì)中的損耗形式）常見介質(zhì)中的損耗形式非極性的液體電介質(zhì)、無機(jī)晶體和非極性有機(jī)電介質(zhì)電導(dǎo)損耗極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)不緊密的離子固體電介質(zhì)極化損耗和電導(dǎo)損耗7損耗角正切tg介質(zhì)損耗大小損耗因子tg作為絕緣材料的選擇依據(jù)品質(zhì)因素Q=1/tg應(yīng)用于高頻損耗功率p功率的計(jì)算等效電導(dǎo)率=電介質(zhì)發(fā)熱復(fù)介電常數(shù)的

6、復(fù)項(xiàng)研究材料的功率、發(fā)熱有關(guān)介質(zhì)的損耗描述方法有多種，哪一種描述方法比較方便，需根據(jù)用途而定。二、介質(zhì)損耗的表征方法二、介質(zhì)損耗的表征方法8在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角)的余角()。 簡稱介損角1 1、介質(zhì)損耗角、介質(zhì)損耗角 2 2、介質(zhì)損耗正切值、介質(zhì)損耗正切值tgtg又稱介質(zhì)損耗因數(shù)，是指介質(zhì)損耗角正切值，簡稱介損角正切。介質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下9這正是損失角=(90-)的正切值。因此現(xiàn)在的數(shù)字化儀器從本質(zhì)上講，是通過測(cè)量或者得到介損因數(shù)。總電流可以分解為電容電流Ic和電阻電流IR合成，因此：電流相量的相量圖：和電壓相量10I = IC + IR

7、=(iC+G)U G=S/dC=S/dCRIItgdSUiIdSUGUICR損耗角正切：損耗角正切：111）復(fù)介電常數(shù)的含義）復(fù)介電常數(shù)的含義原子核外電子云的畸變極化；原子核外電子云的畸變極化；分子中正、負(fù)離子的（相對(duì)）位移極化；分子中正、負(fù)離子的（相對(duì)）位移極化；分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化。分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化。電極化的基本過程有三：在外界電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)在外界電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù) 是綜合地反映這三是綜合地反映這三種微觀過程的宏觀物理量；它是頻率種微觀過程的宏觀物理量；它是頻率 的函數(shù)的函數(shù)()()。3 3、復(fù)介電常數(shù)、復(fù)介電常數(shù)12只當(dāng)頻率為零或頻率只當(dāng)頻率為零或頻率很低（例

8、如很低（例如1 1千赫）時(shí)千赫）時(shí), ,三種微觀過程都參與三種微觀過程都參與作用，這時(shí)的介電常作用，這時(shí)的介電常數(shù)數(shù)(0)(0)對(duì)于一定的電介對(duì)于一定的電介質(zhì)而言是個(gè)常數(shù)，通質(zhì)而言是個(gè)常數(shù)，通稱為介電常數(shù)，這也稱為介電常數(shù)，這也就是就是靜電介電常數(shù)靜電介電常數(shù) s s或低頻介電常數(shù)?；虻皖l介電常數(shù)。低頻極化低頻極化空間電荷空間電荷極化極化松弛極化松弛極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系13中頻極化中頻極化隨著頻率的增加，隨著頻率的增加，分子固有電矩的轉(zhuǎn)分子固有電矩的轉(zhuǎn)

9、向極化逐漸落后于向極化逐漸落后于外場(chǎng)的變化，這時(shí)，外場(chǎng)的變化，這時(shí)，介電常數(shù)取復(fù)數(shù)形介電常數(shù)取復(fù)數(shù)形式式()()()-()-j()j()，其中虛部，其中虛部()()代表介質(zhì)損耗；代表介質(zhì)損耗；它是由于電極化過它是由于電極化過程追隨不上外場(chǎng)的程追隨不上外場(chǎng)的變化而引起的。變化而引起的。實(shí)部隨著頻率的增加而顯著下降，虛部出現(xiàn)峰值。實(shí)部隨著頻率的增加而顯著下降，虛部出現(xiàn)峰值。空間電荷空間電荷極化極化松弛極化松弛極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系14 頻率再增加，實(shí)部頻率再

10、增加，實(shí)部()()降至新值，虛部降至新值，虛部()()變?yōu)榱悖@表示變?yōu)榱?，這表示分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化已不能響應(yīng)了?；巡荒茼憫?yīng)了。當(dāng)頻率進(jìn)入到紅外區(qū)，當(dāng)頻率進(jìn)入到紅外區(qū)，分子中正、負(fù)離子電矩分子中正、負(fù)離子電矩的振動(dòng)頻率與外場(chǎng)發(fā)生的振動(dòng)頻率與外場(chǎng)發(fā)生共振時(shí)，實(shí)部共振時(shí)，實(shí)部()()先先突然增加，隨即陡然下突然增加，隨即陡然下降降,(),()又出現(xiàn)峰值；又出現(xiàn)峰值；過此以后，正、負(fù)離子過此以后，正、負(fù)離子的位移極化亦不起作用的位移極化亦不起作用了。了。 高頻極化空間電荷空間電荷極化極化松弛極化松弛極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外

11、紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系15光頻極化光頻極化在可見光區(qū)在可見光區(qū), ,只有電只有電子云的畸變極化在起子云的畸變極化在起作用了作用了, ,這時(shí)實(shí)部取這時(shí)實(shí)部取更小的值，稱為光頻更小的值，稱為光頻介電常數(shù)，記以介電常數(shù)，記以，虛部對(duì)應(yīng)于，虛部對(duì)應(yīng)于光吸收。光吸收。光頻介電常數(shù)光頻介電常數(shù)實(shí)際上隨頻率的增加實(shí)際上隨頻率的增加而略有增加。而略有增加。在某些頻率時(shí)在某些頻率時(shí), ,實(shí)部實(shí)部()()先突然增加隨先突然增加隨即陡然下降，與此同即陡然下降，與此同時(shí)虛部時(shí)虛部()()出現(xiàn)峰出現(xiàn)峰值，這對(duì)應(yīng)于電子躍值，這對(duì)應(yīng)于電子躍遷的共振吸收。遷的

12、共振吸收?？臻g電荷空間電荷極化極化松弛極化松弛極化離子極化離子極化電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無線電無線電 紅外紅外 紫外紫外極極化化率率或或 極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系16ii*J=(i+)E 復(fù)電導(dǎo)率：復(fù)電導(dǎo)率：*= i+J=*EJ=i * E I = IC + IR =(iC+G)U G=S/dC=S/ddSUiIdSUGUICR,EidUiSIJ復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)2 2）漏導(dǎo)復(fù)介電常數(shù)：）漏導(dǎo)復(fù)介電常數(shù)：17復(fù)介電常數(shù):ii* = - i” = ”=/損耗角正切：電容項(xiàng)損耗項(xiàng)tg和”是依賴于頻率的量介質(zhì)的損耗由復(fù)介電常數(shù)的虛部引起，通常電容電流

13、由實(shí)部引起，相當(dāng)于實(shí)際測(cè)得介電常數(shù)。18 時(shí)間時(shí)間P理想理想Po實(shí)際實(shí)際P 介質(zhì)的弛豫過程極化強(qiáng)度隨時(shí)間變化的速率111PPdtdPP0=x0E，P1=x1Ex0，x1絕對(duì)極化系數(shù)，是弛豫時(shí)間常數(shù)2 2）極化損耗的復(fù)介電常數(shù)）極化損耗的復(fù)介電常數(shù)19交變電場(chǎng)作用下的P(t)為：EEiPrc010)1(rc-復(fù)極化系數(shù)(相對(duì))011000,rr10111rrrrrcrii2212210111rrrrrA.極化損耗復(fù)介電常數(shù)極化損耗復(fù)介電常數(shù)20低頻或者靜態(tài)低頻或者靜態(tài):r取取(0)， (0)代表靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)；代表靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)；頻率頻率: r ，代表光頻相對(duì)介電常數(shù)代表光頻相對(duì)介電常數(shù)rr

14、r01011)0(C.(0) 和和10111rrrrrcriiB.極化損耗復(fù)介電常數(shù)含義：極化損耗復(fù)介電常數(shù)含義：21 其中：其中： (0) -(0) -低或靜態(tài)的相對(duì)介電常數(shù)低或靜態(tài)的相對(duì)介電常數(shù) - - 時(shí)的相對(duì)介電常數(shù)時(shí)的相對(duì)介電常數(shù) r()=+ (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 22) （ r()的實(shí)部） r = (0) - /(1+ 22) （ r()的虛部） tg=r/ r D.復(fù)介電常數(shù)的德拜表達(dá)式復(fù)介電常數(shù)的德拜表達(dá)式rrr01011)0(10111rrrrrcrii22研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)研究了電介質(zhì)的介電常數(shù) 、反映介電損耗的、反映介電損耗的

15、r r 、所加電場(chǎng)的角頻率、所加電場(chǎng)的角頻率 及松弛時(shí)間及松弛時(shí)間 的關(guān)系。的關(guān)系。 0.1 1 10 (0)rr =1=1， r r 最大，大于或小于最大，大于或小于1 1 時(shí)，時(shí)， r r 都小，都小，即：松弛時(shí)間和所加電場(chǎng)的頻率相比，較大時(shí)，偶極子來不及轉(zhuǎn)移定向，即：松弛時(shí)間和所加電場(chǎng)的頻率相比，較大時(shí)，偶極子來不及轉(zhuǎn)移定向， r r 就小；松弛時(shí)間比所加電場(chǎng)的頻率還要迅速，就?。凰沙跁r(shí)間比所加電場(chǎng)的頻率還要迅速， r r 也小。也小。E.E.德拜表達(dá)式的意義德拜表達(dá)式的意義231）直流電壓下）直流電壓下 PW=IU=GU2 G為介質(zhì)的電導(dǎo),單位為西門子(S)。22EVGUVPpW在一定

16、的直流電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率4 4、介質(zhì)損耗功率、介質(zhì)損耗功率定義單位體積的介質(zhì)損耗為介質(zhì)損耗功率介質(zhì)損耗功率p p，V為介質(zhì)體積，為純自由電荷產(chǎn)生的電導(dǎo)率(S/m)。24rrtg2 2）交流電壓下）交流電壓下=tg介質(zhì)等效電導(dǎo)率介質(zhì)損耗只與tg有關(guān)。 tg僅由介質(zhì)本身決定，稱為損耗因素。222tiWEtgEVGUVPpr即為通常測(cè)量的r，則r 20210在高頻電壓下在高頻電壓下，1, 00在低頻電壓下，在低頻電壓下，1,與與2成正比。成正比。r = (0) - /(1+ 22)介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與松弛極化過程有關(guān)。外施電壓一定時(shí)外施電壓一定時(shí): :251）當(dāng)外

17、加電場(chǎng)頻率很低，即0時(shí)，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場(chǎng)的變化，此時(shí)不存在極化損耗，介電常數(shù)達(dá)最大值。介電損耗主要由電導(dǎo)損耗引起，PW和頻率無關(guān)。tg=/，則當(dāng)0時(shí)，tg。隨著的升高，tg減小。三、三、 介質(zhì)損耗的影響因素介質(zhì)損耗的影響因素頻率、溫度、濕度頻率、溫度、濕度1. 1.頻率的影響頻率的影響電容項(xiàng)損耗項(xiàng)tg262）當(dāng)外加電場(chǎng)頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場(chǎng)的變化，松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小，因而r隨升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi)，由于1，此時(shí)tg隨升高而減小。時(shí)，tg0。 /001/01/02222rrtg28（1）當(dāng)溫度很低時(shí),較大,由德拜關(guān)系式可知,r較小，t

18、g也較小221,1tg2. 2.溫度的影響溫度的影響在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升，減小，r、tg和PW上升。溫度對(duì)松弛極化產(chǎn)生影響，因而P，和tg與溫度關(guān)系很大。松弛極化隨溫度升高而增加，離子間易發(fā)生移動(dòng)，松弛時(shí)間常數(shù)減小。29(2)當(dāng)溫度較高時(shí)，大于Tm，較小，此時(shí) 200tg在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升，減小，tg減小。PW主要決定于極化過程， PW也隨溫度上升而減小。30（3）當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到很大值時(shí)，離子熱運(yùn)動(dòng)能量很大，離子在電場(chǎng)作用下的定向遷移受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙，因而極化減弱，r下降。電導(dǎo)損耗劇烈上升，tg也隨溫度上升急劇上升。31介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)會(huì)增加，但比電導(dǎo)的增加要慢，由于電

19、導(dǎo)損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使tg增大。對(duì)于極性電介質(zhì)或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內(nèi)水分含量從4增加到10時(shí)，其tg可增加100倍。 3. 3.濕度的影響濕度的影響32四、壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)四、壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)（一）玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)（一）玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)1 1、玻璃電導(dǎo)中為什、玻璃電導(dǎo)中為什么采用壓堿效應(yīng)和雙么采用壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)？堿效應(yīng)？因?yàn)椴ＡУ慕Y(jié)構(gòu)松散，堿金屬離子不能與兩個(gè)氧原子聯(lián)系以延因?yàn)椴ＡУ慕Y(jié)構(gòu)松散，堿金屬離子不能與兩個(gè)氧原子聯(lián)系以延長點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò)，形成弱聯(lián)系離子，所以電導(dǎo)會(huì)增加。長點(diǎn)陣網(wǎng)絡(luò)，形成弱聯(lián)系離子，所以電導(dǎo)會(huì)增加。2 2、玻璃

20、態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用減小玻璃減小玻璃電導(dǎo)率電導(dǎo)率3 3、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的機(jī)理、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的機(jī)理 指當(dāng)玻璃中堿指當(dāng)玻璃中堿 金屬離子總濃度較大時(shí)金屬離子總濃度較大時(shí)( (占玻璃組成占玻璃組成25-30%)25-30%)，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。A.A.雙堿效應(yīng)：雙堿效應(yīng)：33R K+R Li+，在外電場(chǎng)的作用下，堿金屬離子移動(dòng)時(shí)，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小， K

21、+只能通過本身的空位；Li+進(jìn)入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進(jìn)入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運(yùn)動(dòng)；相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。以K2O、Li2O為例例例34指含堿破璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。壓堿效應(yīng)機(jī)理壓堿效應(yīng)機(jī)理由于二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，因而電導(dǎo)率降低。結(jié)論：結(jié)論：一般玻璃相的電導(dǎo)率比晶體相高。因此對(duì)介質(zhì)材料應(yīng)盡一般玻璃相的電導(dǎo)率比晶體相高。因此對(duì)介質(zhì)材料應(yīng)盡量減少玻璃相的電導(dǎo)。量減少玻璃相的電

22、導(dǎo)。B.B.壓堿效應(yīng)壓堿效應(yīng)：35（一）玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)（一）玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)1 1、玻璃、玻璃損耗損耗中為什中為什么采用壓堿效應(yīng)和么采用壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)？雙堿效應(yīng)？因?yàn)閴A性氧化物進(jìn)入玻璃的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)后，使離子所在處點(diǎn)陣受到破壞。因?yàn)閴A性氧化物進(jìn)入玻璃的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)后，使離子所在處點(diǎn)陣受到破壞。因此，玻璃中堿性氧化物濃度愈大，玻璃結(jié)構(gòu)就愈疏松，離子就有可因此，玻璃中堿性氧化物濃度愈大，玻璃結(jié)構(gòu)就愈疏松，離子就有可能發(fā)生移動(dòng)，造成電導(dǎo)損耗和松弛損耗，使總的損耗增大能發(fā)生移動(dòng)，造成電導(dǎo)損耗和松弛損耗，使總的損耗增大2 2、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓

23、堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用減小玻璃減小玻璃損耗損耗36兩種堿性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶結(jié)構(gòu)，在堿性氧化物的一兩種堿性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶結(jié)構(gòu)，在堿性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，離子與主體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)地固定著，實(shí)際上定比值下，形成的化合物中，離子與主體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)地固定著，實(shí)際上不參加引起介質(zhì)損耗的過程；在離開最佳比值的情況下，一部分堿金不參加引起介質(zhì)損耗的過程；在離開最佳比值的情況下，一部分堿金屬離子位于微晶的外面，即在結(jié)構(gòu)的不緊密處，使介質(zhì)損耗增大。屬離子位于微晶的外面，即在結(jié)構(gòu)的不緊密處，使介質(zhì)損耗增大。3 3、玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的機(jī)理、玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效

24、應(yīng)的機(jī)理A.雙堿效應(yīng)：雙堿效應(yīng)：在含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物時(shí)，壓抑效在含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物時(shí)，壓抑效應(yīng)特別明顯。因?yàn)槎r(jià)離子有二個(gè)鍵能使松弛的堿玻璃的結(jié)構(gòu)網(wǎng)鞏固應(yīng)特別明顯。因?yàn)槎r(jià)離子有二個(gè)鍵能使松弛的堿玻璃的結(jié)構(gòu)網(wǎng)鞏固起來，減少松弛極化作用，因而使起來，減少松弛極化作用，因而使tgtg降低。降低。B.B.壓堿效應(yīng)壓堿效應(yīng)37電介質(zhì)損耗用作一種電加熱手段，即利用高頻電場(chǎng)（一般為0.3300兆赫）對(duì)電介質(zhì)損耗大的材料（如木材、紙、陶瓷等）進(jìn)行加熱。頻率高于300兆赫時(shí)，達(dá)到微波波段，即為微波加熱（家用微波爐即據(jù)此原理）。五、介電損耗的應(yīng)用五、介

25、電損耗的應(yīng)用當(dāng)絕緣材料用于高電場(chǎng)強(qiáng)度或高頻的場(chǎng)合，應(yīng)盡量采用介質(zhì)損耗因數(shù)（即電介質(zhì)損耗角正切tg，它是電介質(zhì)損耗與該電介質(zhì)無功功率之比）較低的材料。38 總之，介質(zhì)損耗是介質(zhì)的電導(dǎo)和松弛極化引起的電總之，介質(zhì)損耗是介質(zhì)的電導(dǎo)和松弛極化引起的電導(dǎo)和極化過程中帶電質(zhì)點(diǎn)（弱束縛電子和弱聯(lián)系離子，導(dǎo)和極化過程中帶電質(zhì)點(diǎn)（弱束縛電子和弱聯(lián)系離子，并包括空穴和缺位）移動(dòng)時(shí)，將它在電場(chǎng)中所吸收的能并包括空穴和缺位）移動(dòng)時(shí)，將它在電場(chǎng)中所吸收的能量部分地傳給周圍量部分地傳給周圍“分子分子”，使電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)椋闺姶艌?chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺址肿幼印钡臒嵴駝?dòng)，能量消耗在使電介質(zhì)發(fā)熱效應(yīng)上。的熱振動(dòng)，能量消耗在使電介質(zhì)發(fā)

26、熱效應(yīng)上。結(jié)論：結(jié)論：396.3 介電擊穿介電擊穿 一、介質(zhì)的擊穿一、介質(zhì)的擊穿二、擊穿類型二、擊穿類型熱擊穿熱擊穿電擊穿電擊穿化學(xué)擊穿化學(xué)擊穿三、改善擊穿的措施三、改善擊穿的措施本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)復(fù)習(xí) 1、電介質(zhì)產(chǎn)生損耗的原因？2、表征電介質(zhì)損耗的復(fù)介電常數(shù)的表達(dá)式及含義是什么？3、介質(zhì)損耗的影響因素。40一、介質(zhì)的擊穿一、介質(zhì)的擊穿在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力喪失電絕緣能力，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然增大甚至引電介質(zhì)的電導(dǎo)突然增大甚至引起起結(jié)構(gòu)損壞或破碎結(jié)構(gòu)損壞或破碎，稱為介電擊穿。，稱為介電擊穿。a.可用擊穿效應(yīng)來破碎非金屬礦石等b.擊穿是標(biāo)志電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持

27、絕緣性能的極限能力，是決定電力設(shè)備，電子元器件最終使用壽命的重要因素。+ + + + + + +_ _ _ _ _ _ _eee+ + + +_ _ _ _eeeeeee1. 1.介電擊穿介電擊穿413. 3.介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度2. 2.擊穿電壓擊穿電壓導(dǎo)致?lián)舸┑淖畹团R界電壓稱為擊穿電壓。電介質(zhì)能夠經(jīng)受而不致?lián)p壞的最大電場(chǎng)稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)電介質(zhì)能夠經(jīng)受而不致?lián)p壞的最大電場(chǎng)稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng), ,即介電強(qiáng)度Ec，是絕緣性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)志。是絕緣性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)志。均勻電場(chǎng)介電強(qiáng)度: :擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（簡稱擊穿場(chǎng)強(qiáng)，又稱介電強(qiáng)度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強(qiáng)度。不均勻電

28、場(chǎng)介電強(qiáng)度:擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)，它低于均勻電場(chǎng)中固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度。42在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度雖不足在電場(chǎng)作用下，固體電介質(zhì)承受的電場(chǎng)強(qiáng)度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱几叨鴮?dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。導(dǎo)電狀態(tài)。 （一）（一） 固體電介質(zhì)的熱擊穿固體電介質(zhì)的熱擊穿1 1）熱擊穿的本質(zhì)）熱擊穿的本質(zhì)發(fā)生在高頻、高壓下。熱擊穿的核心問題是散熱問題。二、固體電介質(zhì)的擊穿類型及影響因素二、固體電介質(zhì)的擊穿類型及影響因素 熱擊穿

29、、電擊穿和電化學(xué)擊穿43Q1：單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量Q2:單位時(shí)間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量E3 Ec E1 2 2）熱擊穿過程）熱擊穿過程固體電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。A.A.外加電場(chǎng)為外加電場(chǎng)為E E3 3 E Ec c 固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量Q Q1 1大于大于散熱量散熱量Q Q2 2 ，介質(zhì)溫度上升，且，介質(zhì)溫度上升，且因因Q Q1 1 始終大于始終大于Q Q2 2，所以固體電，所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)被被燒焦、燒熔、或燒裂，喪失絕燒焦、燒熔、或燒裂，喪失絕緣性能緣性能，發(fā)生熱擊穿。，發(fā)生熱擊穿。44B.B.

30、外加電場(chǎng)為外加電場(chǎng)為E E1 1 Q Q2 2 ，固體電介，固體電介質(zhì)溫度上升；但當(dāng)溫度度升到質(zhì)溫度上升；但當(dāng)溫度度升到TcTc時(shí)，發(fā)熱量與散熱量時(shí)，發(fā)熱量與散熱量 相等，相等，建立起了熱平衡。此時(shí)，若介建立起了熱平衡。此時(shí)，若介質(zhì)能耐受溫度質(zhì)能耐受溫度T Tc c的作用，則固的作用，則固體電介質(zhì)能正常工作，不會(huì)發(fā)體電介質(zhì)能正常工作，不會(huì)發(fā)生熱擊穿。生熱擊穿。C.外加電壓為等于外加電壓為等于Ec當(dāng)介質(zhì)溫度升到當(dāng)介質(zhì)溫度升到Tc時(shí)，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高，時(shí)，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高，發(fā)熱量發(fā)熱量Q1即大于散熱量即大于散熱量Q2，最終仍然發(fā)生熱擊穿。電場(chǎng)強(qiáng)度，最終仍

31、然發(fā)生熱擊穿。電場(chǎng)強(qiáng)度Ec是發(fā)生是發(fā)生熱擊穿的臨界場(chǎng)強(qiáng)熱擊穿的臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec 。介質(zhì)中發(fā)熱與散熱平衡關(guān)系示意圖45A，B是與材料有關(guān)的常數(shù)。 (1)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。(2)熱擊穿電壓大致不隨介質(zhì)的厚度變化。02/ TBocAeU 1）溫度不均勻的厚膜介質(zhì)2.溫度均勻薄膜介質(zhì)1/20cdUe e為自然對(duì)數(shù)的底， Uc隨試樣厚度的平方根而變化。3 3）熱擊穿電壓）熱擊穿電壓46電擊穿是介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子在強(qiáng)外電場(chǎng)加速下得到能量。若電子與點(diǎn)陣碰撞損失的能量小于電子在電場(chǎng)加速過程中所增加的能量，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當(dāng)大的動(dòng)能，足以在

32、電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結(jié)果電導(dǎo)急劇上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?。（二）（二?固體介質(zhì)的電擊穿固體介質(zhì)的電擊穿電擊穿 取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場(chǎng)使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的自由電子，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。1 1）電擊穿的本質(zhì)）電擊穿的本質(zhì)Eeeeeeee471)外加電場(chǎng)為外加電場(chǎng)為 E2 Ec一部分傳導(dǎo)電子的能量處于一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2 Wc 之間，之間，單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得的能量A始終大于失始終大于失去的能量去的能量B，電子被加速，碰撞晶格時(shí)產(chǎn)生電，電子被加速，碰撞晶格時(shí)產(chǎn)生電離，使處于離，使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加

33、導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上，電流急劇上升，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。升，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。2)外加電場(chǎng)為外加電場(chǎng)為E1 B而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1 的概率很低的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體電介質(zhì)不會(huì)擊穿。電介質(zhì)不會(huì)擊穿。A 、B 與 W的關(guān)系E2 Ec E1 晶格溫度T為定值介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度: :處于臨界狀態(tài)的處于臨界狀態(tài)的E Ec c 即為固體電介質(zhì)的即為固體電介質(zhì)的介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度A:A:單位時(shí)間內(nèi)這些電子取單位時(shí)間內(nèi)這些電子取得

34、的能量得的能量B:B:單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量的能量E:E:電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度W:W:電子本身能量電子本身能量T:T:晶格溫度晶格溫度2）電擊穿的過程）電擊穿的過程483 3）擊穿場(chǎng)強(qiáng)）擊穿場(chǎng)強(qiáng)多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時(shí)間較短時(shí)，純凈、均勻固體電介質(zhì)中。當(dāng)電場(chǎng)上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過程便立即發(fā)生。把這一起始場(chǎng)強(qiáng)作為介質(zhì)電擊穿場(chǎng)強(qiáng)的理論即為本征擊穿理論.A.A.本征電擊穿理論本征電擊穿理論本征電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，隨溫度升高而降低。溫度溫度491）“雪崩”電擊穿理論以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定數(shù)值（足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)）作為電擊穿判據(jù)。2）Seitz提出以電子“崩”傳遞

35、給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。B. “B. “雪崩雪崩”電擊穿理論電擊穿理論電擊穿判據(jù)：本征擊穿理論中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩”擊穿是考慮到高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)電電子倍增過程逐漸達(dá)到難以忍受的程度，最終介質(zhì)晶格破壞。 “雪崩雪崩”電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別：50“四十代理論四十代理論”從陰極出發(fā)的電子，一方面進(jìn)行“雪崩”倍增；另一方面向陽極運(yùn)動(dòng)。由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿。一般用來說明“雪崩”擊穿的形成，并稱之為“四十代理論”。由“四十代理論”可以推斷，當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進(jìn)入陽極復(fù)合，此時(shí)介質(zhì)不能擊穿，即這時(shí)的介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)將要提高。51在電場(chǎng)、溫度等因素