介电常数介质损耗测试仪电介质的极化

1.1 电介质的极化

1.1.1 电介质的极化现象和相对介电常数

在外加电场作用下，电介质中的正、负电荷将沿着电场方向做有限的位移或者转向，形成电偶极矩，这种现象称为电介质的极化。

如图1-1(a)所示的平行板电容器，当两极板之间为真空时，在极板间施加直流电压U，这时两极板上则分别充有正、负荷，其电荷量为

                          Q₀=C₀U                        (1-1)

式中：C₀为真空电容器的电容量。

然后在此极板间填充上其他电介质，这时在外加的直流电场作用下，电介质中的正、负电荷将沿电场方向做有限的位移或转向，从而使电介质表面出现与极板电荷相反极性的束缚电荷，即电介质发生了极化，如图1-1(b)所示。由于外施的直流电压U不变，所以为保持极板间的电场强度不变，这时必须再从电源转移一部分电荷Q´到极板上，以平衡束缚电荷的作用。由此可见，由于极板间电介质的加入，致使极板上的电荷量从Q₀增加到Q，即

Q=Q₀+Q´=CU

式中：C为加入电介质后两极板间的电容量。

显然，这时的电容量C比两极板间为真空时的电容量C₀增大了。C与C₀的比值称为该电介质的相对介电常数ε_r，，即

                 (1-3)

式中：ε为填充介质的介电常数；ε₀为真空的介电常数，ε₀=8.85×10^-12F/m。

工程上一般采用相对介电常数，电介质的相对介电常数ε_r越大，电介质的极化特性越强，由其构成的电容器的电容量也越大，所以ε_r是表示电介质极化强度的一个物理参数。

真空的相对介质常数ε_r=1，各种气体电介质的ε_r都接近于1，而固体、液体电介质的ε_r一般为2～10。几种常用电介质的相对介电常数列于表1-1。

表1-1                  常用电介质的相对介电常数和电阻率

电介质的相对介电常数ε_r在工程上具有重要的实用意义，举例如下：

(1)在制造电容器时，应选择适当的电介质。为了追求体积一定、电容量较大的电容器，应选择ε_r较大的电介质。

(2)在设计某些绝缘结构时，为了减小通过绝缘的电容电流及由极化引起的发热损耗，这时则不宜选择ε_r太大的电介质。

(3)在交流和冲击电压作用下，多层串联电介质中的电场分布与ε_r成反比。这是因为在多层串联介质中，电位移连续D₁=D₂，即ε₀ε_r1E₁=ε₀ε_r2E₂，所以E₁/ E₂=ε_r2/ε_r1，即电场分布与ε_r成反比。因此，可利用不同ε_r的电介质的组合来改善绝缘中的电场分布，使之尽可能趋于均匀，以充分利用电介质的绝缘强度，优化绝缘结构。比如，在电缆绝缘中，由于电场沿径向分布不均匀，靠近电缆芯线处的电场强，远离芯线处的电场较弱，因此，应使内层绝缘的ε_r大于外层绝缘的ε_r，这样就可以使电缆芯线周围绝缘中的电场分布趋于均匀。

1.1.2极化的基本形式

电介质的物质结构不同，其极化形式亦不同。下面介绍电介质极化的几种基本形式。

1.电子式极化

组成一切电介质的基本粒子不外乎是原子、分子或离子。而原子则是由带正电荷的原子核和围绕核旋转的电子形成的所谓“电子云"构成。当不存在外加电场时，围绕原子核旋转的电子云的负电荷作用中心与原了核所带正电荷的作用中心相重合，如图1-2所示。由于其正、负电荷量相等，故此时电偶极矩为零，对外不显示电极性。当外加一电场E，在电场力的作用下电子的轨道将相对于原子核产生位移，使原子中正、负电荷的作用中心不再重合，形成电偶极矩。这个过程主要是由电了在电场作用下的位移所造成，故称为电子式极化。

电子式极化的特点：

(1)电子式极化存在于所有电介质中。

(2)由于电子异常轻小，因此电子式极化所需时间极短，约为10^-15s，其极化响应速度最快，通常相当于紫外线的频率范围。这种极化在各种频率的交变电场中均能发生，故ε_r不随频率而变化；同时温度对其的影响也极小。

(3)电子式极化具有弹性。在去掉外电场作用时，依靠正负电荷之间的吸引力，其正、负电荷的作用中心即刻重合而恢复成中性。

(4)由于电子式极化消耗的能量可以忽略不计，因此称为“无损极化"。

2.离子式极化

在离子式结构的电介质中，无外加电场作用时，由于正、负离子杂乱无章的排列，正负电荷的作用相互抵消，对外不呈现电极性。当有外电场作用时，则除了促使各个离子内部产生电子式极化之外，还将产生正、负离子的相对位移，使正、负离子按照电场的方向进行有序排列，形成极化，这种极化称为离子式极化，如图1-3所示。

形成离子式极化的时间也很短，约为10^-13s，其极化响应速度通常在红外线频率范围，也可在所有频率范围内发生；极化也是弹性的；消耗的能量亦可忽略不计，因此离子式极化也属于无损极化。

3. 偶极子式极化

在极性分子结构的电介质中，即使没有外加电场的作用，由于分子中正、负电荷的作用中心已不重合，就其单个分子而言，已具有偶极矩，因此这种极性分子也叫偶极子。但由于分子不规则的热运动，使各极性分子偶极矩的排列没有秩序，从宏观而言，对外并不呈现电极性。当有外电场作用时，偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，因此，这种极化被称为偶极子式极化，或转向极化，如图1-4所示。

由于偶极子的结构尺寸远较电子或离子大，当转向时需要克服分子间的吸引力而消耗能量，因此偶极子式极化属于有损极化；极化时间较长，为10^-6~10^-2s，通常认为其极化响应速度在微波范围以下。所以，在频率不高，甚至在工频交变电场中，偶极子式极化的完成都有可能跟不上电场的变化，因此，极性电介质的ε_r会随电源的频率而改变，频率增加，ε_r减小，如图1-5所示。

温度对极性电介质的ε_r也有很大影响，其关系较为复杂。如图1-6所示，当温度升高时，由于分子间的联系力削弱，使极化加强；但同时由于分子的热运动加剧，又不利于偶极子沿电场方向进行有序排列，从而使极化减弱。所以极性电介质的ε_r最初随温度的升高而增大，当温度的升高使分子的热运动比较强烈时，ε_r又随温度的升高而减小。

顺便指出，人们使用微波炉加热食品就是通过食品中的水分子产生偶极子式极化吸收微波能量来实现的。

4.空间电荷极化

空间电荷极化一般进行得比较缓慢，且需要消耗能量，属于有损极化。在电场频率较低的交变电场中容易发生这种极化；而在高频电场中，由于带电质点来不及移动，这种极化难以发生。

5. 夹层极化

夹层极化是在多层电介质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。在高电压工程中，许多设备的绝缘都是采用这种复合绝缘，如电缆、电容器、电机和变压器绕组等.在两层介质之间常夹有油层、胶层等形成多层介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质，或者受潮的介质，事实上也可以等价为这种夹层介质来看待。

夹层介质在电场作用下的极化称为夹层极化。夹层极化的发生是由于各层电介质的介电常数与其电导率比值的不同所致，当加上直流电压后各层间的电场分布，将会出现从加压瞬时技介电常数成反比分布，逐渐过渡到稳态时的按电导率成反比分布，由此在各层电介质中出现了一个电压重新分配的过程，最终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆积，形成所谓的夹层极化。其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且极化过程伴随有较大的能量损耗，所以也属于有损极化。

以双层介质为例，详细说明夹层极化的形成过程。图1-7(a)为双层介质的示意图。图1-7(b)为双层介质的等效电路，C₁、C₂分别为介质Ⅰ和Ⅱ的电容，G₁、G₂分别为其电导。当闭合开关S突然加上直流电压U的初瞬(t→0时)，电压由零很快上升到U，电导几乎相当于开路，这时两层介质上的电压按电容成反比分布，即

               (1-4)

在t→∞时，电容相当于开路，电流全部从电导中流过，这时两层介质上的电压则按电导成反比分布，即

                                   (1-5)

如果是均匀的单一介质，即C₁=C₂，G₁=G₂，则会所以 也就是说，对均匀介质来说，加上电压后不存在电荷重新分配的过程。

一般来说，，所以，这就是说，在两层介质之间有一个电压重新分配的过程。例如，设C₁＞C₂，G₁＜G₂，则在t→0时，U₁＜U₂；而在t→∞时，U₁＞U₂。这样，在t＞0后，随着时间t的增大，U₂逐渐下降，而U₁逐渐升高(因为U₁+U₂=U，U为电源电压，是一定值)。在这种电压重新分配过程中，C₂上初瞬时获得的部分电荷将通过电导G₂放掉。为了保持介质上所加的电压仍为电源电压，所以C₁必须通过G₂从电源再吸收一部分电荷，这部分电荷称为吸收电荷。这就是夹层介质的分界面上电荷的重新分配过程，即夹层极化过程。应该指出，多层介质的吸收电荷的过程进行得非常缓慢，其时间常数为

                                    (1-6)

由于介质的电导很小，所以时间常数τ很大。当绝缘受潮或劣化时，电导增大，τ就会大大下降。利用这一特点，人们采用一种称为吸收比测量的试验来检验绝缘是否受潮或严重劣化(将在1.2节和5.1节中具体介绍)。