4.2 電介質(zhì)的損耗(材料物理性能)[講課適用]

1、6.2 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。 1優(yōu)選課堂 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(jiǎn)稱介損。 能量損耗-轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降?能，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)

2、分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振 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。 + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ eee 2優(yōu)選課堂 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)

3、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)損耗實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過(guò)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(guò)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？ 3優(yōu)選課堂 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？

4、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(guò)一定的時(shí)間才能穩(wěn)定。切斷電源后，將要經(jīng)過(guò)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)

5、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。 + + - - 4優(yōu)選課堂 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(guò)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)。 + + + + _ _ _ _ + - 5優(yōu)選課堂 3 3）常見(jiàn)介質(zhì)中的損耗形式）常見(jiàn)介質(zhì)中的損耗形式 非極性的液體電介質(zhì)、 無(wú)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

6、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 6優(yōu)選課堂 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 7優(yōu)選課堂 在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)稱

7、介損角正切。介 質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下 8優(yōu)選課堂 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(guò)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 9優(yōu)選課堂 I = IC + IR =(iC+G)U G=S/d C=S/d C R I I tg d S UiI d S UGUI C R 損耗角正切：損耗角正切： 10優(yōu)選課堂 1）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

8、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(guò)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(guò)程的宏觀物理量；它是頻率種微觀過(guò)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) 11優(yōu)選課堂 只當(dāng)頻率為零或頻率只當(dāng)頻率為零或頻率 很低（例如很低（例如1 1千赫）時(shí)千赫）時(shí), , 三種微觀過(guò)程都參與三種微觀過(guò)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

9、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(wú)線電無(wú)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 12優(yōu)選課堂 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) 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；

10、它是由于電極化過(guò)它是由于電極化過(guò) 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(wú)線電無(wú)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優(yōu)選課堂 頻率再增加，實(shí)部頻率再增加，實(shí)部 ()()降至新值，虛部降至新值，虛部 ()()變?yōu)榱?，這表示變?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)

11、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(guò)此以后，正、負(fù)離子過(guò)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(wú)線電無(wú)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優(yōu)選課堂 光頻極化光

12、頻極化 在可見(jiàn)光區(qū)在可見(jiàn)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。遷的共振吸收。 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

13、極化 電子極化電子極化 工頻工頻 聲頻聲頻 無(wú)線電無(wú)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 15優(yōu)選課堂 i i * * 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/d C=S/d d S UiI d S UGUI CR , Ei d U i S I J 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)： 16優(yōu)選課堂 復(fù)介電常數(shù): i i * * * = - i” = ”=/ 損耗角正切： 電容項(xiàng) 損耗項(xiàng) tg 和”是依賴于頻率的量

14、 介質(zhì)的損耗由復(fù)介電常數(shù)的虛部引起，通常電容 電流由實(shí)部引起，相當(dāng)于實(shí)際測(cè)得介電常數(shù)。 17優(yōu)選課堂 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(guò)程 極化強(qiáng)度隨時(shí)間變化的速率 111 PP dt dP P0=x0E，P1=x1E x0，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) 18優(yōu)選課堂 交變電場(chǎng)作用下的P(t)為： EE i P r c 0 1 0 ) 1 ( r c -復(fù)極化系數(shù)(相對(duì)) 0 1 1 0 0 0 , rr 1 0 1 11 rr r rr cr i i 22 1 22 1 0 1 1 1 r r r r r A.極化損

15、耗復(fù)介電常數(shù)極化損耗復(fù)介電常數(shù) 19優(yōu)選課堂 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) r rr 0 10 1 1)0( C.(0) 和和 1 0 1 11 rr r rr cr i i B.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： 20優(yōu)選課堂 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

16、 = (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 r rr 0 10 1 1)0( 1 0 1 11 rr r rr cr i i 21優(yōu)選課堂 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 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) r r =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(lái)不及轉(zhuǎn)移定向，即：松弛時(shí)間和所加電場(chǎng)的頻

17、率相比，較大時(shí)，偶極子來(lái)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 22優(yōu)選課堂 1）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)。 2 2 E V GU V P p W 在一定的直流電場(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)。 23優(yōu)選課堂 r r tg 2 2）交流電壓下）交流電壓下 =tg 介質(zhì)

18、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。 2 2 2 ti W Etg E V GU V P p r即為通常測(cè)量的r，則 r 2 0 2 1 0 在高頻電壓下在高頻電壓下，1, 0 0 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(guò)程有關(guān)。 外施電壓一定時(shí)外施電壓一定時(shí): : 24優(yōu)選課堂 1）當(dāng)外加電場(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(wú)關(guān)。tg=/，則當(dāng) 0時(shí)，t

19、g。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) tg 25優(yōu)選課堂 2）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(kāi)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。 /0 0 1/0 1/0 22 22 r r tg 27優(yōu)選課堂 （1）當(dāng)溫度很低時(shí),較大,由德拜關(guān)系式可知,r較小， tg也較小 22 1 , 1 tg 2. 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

20、，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。 28優(yōu)選課堂 (2)當(dāng)溫度較高時(shí)，大于Tm，較小，此時(shí) 20 0 tg 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(guò)程， PW也隨溫度上升而減小。 29優(yōu)選課堂 （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。 30優(yōu)選課堂 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 電導(dǎo)損耗增大以及松馳極化

21、損耗增加，而使tg增大。 對(duì)于極性電介質(zhì)或多孔材料來(lái)說(shuō)，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 31優(yōu)選課堂 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(zhǎng)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(zhǎng)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

22、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)： 32優(yōu)選課堂 R 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

23、留下的空位比 K+留下的空位小， K+只能通過(guò)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 33優(yōu)選課堂 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(yáng)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

24、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)。量減少玻璃相的電導(dǎo)。 B.B.壓堿效應(yīng)壓堿效應(yīng)： 34優(yōu)選課堂 （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)

25、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 35優(yōu)選課堂 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(guò)程；在離開(kāi)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(guò)程；在離開(kāi)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

26、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(lái)，減少松弛極化作用，因而使起來(lái)，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) 36優(yōu)選課堂 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

27、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(wú)功功率之比）較低的材料。 37優(yōu)選課堂 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(guò)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(guò)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

28、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)?，使電磁?chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺址?子子”的熱振動(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)熱效應(yīng)上。 結(jié)論：結(jié)論： 38優(yōu)選課堂 6.3 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。 39優(yōu)選課堂 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)

29、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(lái)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 + + + + _ _ _ _ ee e e e e e 1. 1.介電擊穿介電擊穿 40優(yōu)選課堂 3. 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

30、損壞的最大電場(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(jiǎn)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。 41優(yōu)選課堂 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(guò)以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過(guò)

31、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?導(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(wèn)題是散熱問(wèn)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、電擊穿和電化學(xué)擊穿 42優(yōu)選課堂 Q1：?jiǎn)挝粫r(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(guò)程）熱擊穿過(guò)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)

32、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。 43優(yōu)選課堂 B.B.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)，

33、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 44優(yōu)選課堂 A，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

34、致不隨介質(zhì)的厚度變化。 0 2/ TB oc AeU 1）溫度不均勻的厚膜介質(zhì) 2.溫度均勻薄膜介質(zhì) 1/2 0 c d U e 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 45優(yōu)選課堂 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(guò)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)

35、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) E e e e e e ee 46優(yōu)選課堂 1)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)

36、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(guò)程很難出現(xiàn)，固體所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過(guò)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

37、: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(guò)程）電擊穿的過(guò)程 47優(yōu)選課堂 3 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(guò)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 48優(yōu)選課堂 1）“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”傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)

38、 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(guò)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： 49優(yōu)選課堂 “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(yáng)極運(yùn)動(dòng)。 由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(lái)說(shuō)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(yáng)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