1.1 電介質(zhì)的極化

1.1.1 電介質(zhì)的極化現(xiàn)象和相對介電常數(shù)

在外加電場作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷將沿著電場方向做有限的位移或者轉(zhuǎn)向，形成電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。

如圖1-1(a)所示的平行板電容器，當(dāng)兩極板之間為真空時(shí)，在極板間施加直流電壓U，這時(shí)兩極板上則分別充有正、負(fù)荷，其電荷量為

                          Q₀=C₀U                        (1-1)

式中：C₀為真空電容器的電容量。

然后在此極板間填充上其他電介質(zhì)，這時(shí)在外加的直流電場作用下，電介質(zhì)中的正、負(fù)電荷將沿電場方向做有限的位移或轉(zhuǎn)向，從而使電介質(zhì)表面出現(xiàn)與極板電荷相反極性的束縛電荷，即電介質(zhì)發(fā)生了極化，如圖1-1(b)所示。由于外施的直流電壓U不變，所以為保持極板間的電場強(qiáng)度不變，這時(shí)必須再從電源轉(zhuǎn)移一部分電荷Q?到極板上，以平衡束縛電荷的作用。由此可見，由于極板間電介質(zhì)的加入，致使極板上的電荷量從Q₀增加到Q，即

Q=Q₀+Q?=CU

式中：C為加入電介質(zhì)后兩極板間的電容量。

顯然，這時(shí)的電容量C比兩極板間為真空時(shí)的電容量C₀增大了。C與C₀的比值稱為該電介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε_r，，即

                 (1-3)

式中：ε為填充介質(zhì)的介電常數(shù)；ε₀為真空的介電常數(shù)，ε₀=8.85×10^-12F/m。

工程上一般采用相對介電常數(shù)，電介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε_r越大，電介質(zhì)的極化特性越強(qiáng)，由其構(gòu)成的電容器的電容量也越大，所以ε_r是表示電介質(zhì)極化強(qiáng)度的一個(gè)物理參數(shù)。

真空的相對介質(zhì)常數(shù)ε_r=1，各種氣體電介質(zhì)的ε_r都接近于1，而固體、液體電介質(zhì)的ε_r一般為2～10。幾種常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)列于表1-1。

表1-1                  常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電阻率

電介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε_r在工程上具有重要的實(shí)用意義，舉例如下：

(1)在制造電容器時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾?/span>介質(zhì)。為了追求體積一定、電容量較大的電容器，應(yīng)選擇ε_r較大的電介質(zhì)。

(2)在設(shè)計(jì)某些絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，為了減小通過絕緣的電容電流及由極化引起的發(fā)熱損耗，這時(shí)則不宜選擇ε_r太大的電介質(zhì)。

(3)在交流和沖擊電壓作用下，多層串聯(lián)電介質(zhì)中的電場分布與ε_r成反比。這是因?yàn)樵诙鄬哟?lián)介質(zhì)中，電位移連續(xù)D₁=D₂，即ε₀ε_r1E₁=ε₀ε_r2E₂，所以E₁/ E₂=ε_r2/ε_r1，即電場分布與ε_r成反比。因此，可利用不同ε_r的電介質(zhì)的組合來改善絕緣中的電場分布，使之盡可能趨于均勻，以充分利用電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度，優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)。比如，在電纜絕緣中，由于電場沿徑向分布不均勻，靠近電纜芯線處的電場強(qiáng)，遠(yuǎn)離芯線處的電場較弱，因此，應(yīng)使內(nèi)層絕緣的ε_r大于外層絕緣的ε_r，這樣就可以使電纜芯線周圍絕緣中的電場分布趨于均勻。

1.1.2極化的基本形式

電介質(zhì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，其極化形式亦不同。下面介紹電介質(zhì)極化的幾種基本形式。

1.電子式極化

組成一切電介質(zhì)的基本粒子不外乎是原子、分子或離子。而原子則是由帶正電荷的原子核和圍繞核旋轉(zhuǎn)的電子形成的所謂“電子云"構(gòu)成。當(dāng)不存在外加電場時(shí)，圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子云的負(fù)電荷作用中心與原了核所帶正電荷的作用中心相重合，如圖1-2所示。由于其正、負(fù)電荷量相等，故此時(shí)電偶極矩為零，對外不顯示電極性。當(dāng)外加一電場E，在電場力的作用下電子的軌道將相對于原子核產(chǎn)生位移，使原子中正、負(fù)電荷的作用中心不再重合，形成電偶極矩。這個(gè)過程主要是由電了在電場作用下的位移所造成，故稱為電子式極化。

電子式極化的特點(diǎn)：

(1)電子式極化存在于所有電介質(zhì)中。

(2)由于電子異常輕小，因此電子式極化所需時(shí)間極短，約為10^-15s，其極化響應(yīng)速度最快，通常相當(dāng)于紫外線的頻率范圍。這種極化在各種頻率的交變電場中均能發(fā)生，故ε_r不隨頻率而變化；同時(shí)溫度對其的影響也極小。

(3)電子式極化具有彈性。在去掉外電場作用時(shí)，依靠正負(fù)電荷之間的吸引力，其正、負(fù)電荷的作用中心即刻重合而恢復(fù)成中性。

(4)由于電子式極化消耗的能量可以忽略不計(jì)，因此稱為“無損極化"。

2.離子式極化

在離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，無外加電場作用時(shí)，由于正、負(fù)離子雜亂無章的排列，正負(fù)電荷的作用相互抵消，對外不呈現(xiàn)電極性。當(dāng)有外電場作用時(shí)，則除了促使各個(gè)離子內(nèi)部產(chǎn)生電子式極化之外，還將產(chǎn)生正、負(fù)離子的相對位移，使正、負(fù)離子按照電場的方向進(jìn)行有序排列，形成極化，這種極化稱為離子式極化，如圖1-3所示。

形成離子式極化的時(shí)間也很短，約為10^-13s，其極化響應(yīng)速度通常在紅外線頻率范圍，也可在所有頻率范圍內(nèi)發(fā)生；極化也是彈性的；消耗的能量亦可忽略不計(jì)，因此離子式極化也屬于無損極化。

3. 偶極子式極化

在極性分子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，即使沒有外加電場的作用，由于分子中正、負(fù)電荷的作用中心已不重合，就其單個(gè)分子而言，已具有偶極矩，因此這種極性分子也叫偶極子。但由于分子不規(guī)則的熱運(yùn)動，使各極性分子偶極矩的排列沒有秩序，從宏觀而言，對外并不呈現(xiàn)電極性。當(dāng)有外電場作用時(shí)，偶極子受到電場力的作用而轉(zhuǎn)向電場的方向，因此，這種極化被稱為偶極子式極化，或轉(zhuǎn)向極化，如圖1-4所示。

由于偶極子的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)較電子或離子大，當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)需要克服分子間的吸引力而消耗能量，因此偶極子式極化屬于有損極化；極化時(shí)間較長，為10^-6~10^-2s，通常認(rèn)為其極化響應(yīng)速度在微波范圍以下。所以，在頻率不高，甚至在工頻交變電場中，偶極子式極化的完成都有可能跟不上電場的變化，因此，極性電介質(zhì)的ε_r會隨電源的頻率而改變，頻率增加，ε_r減小，如圖1-5所示。

溫度對極性電介質(zhì)的ε_r也有很大影響，其關(guān)系較為復(fù)雜。如圖1-6所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于分子間的聯(lián)系力削弱，使極化加強(qiáng)；但同時(shí)由于分子的熱運(yùn)動加劇，又不利于偶極子沿電場方向進(jìn)行有序排列，從而使極化減弱。所以極性電介質(zhì)的ε_r最初隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度的升高使分子的熱運(yùn)動比較強(qiáng)烈時(shí)，ε_r又隨溫度的升高而減小。

順便指出，人們使用微波爐加熱食品就是通過食品中的水分子產(chǎn)生偶極子式極化吸收微波能量來實(shí)現(xiàn)的。

4.空間電荷極化

空間電荷極化一般進(jìn)行得比較緩慢，且需要消耗能量，屬于有損極化。在電場頻率較低的交變電場中容易發(fā)生這種極化；而在高頻電場中，由于帶電質(zhì)點(diǎn)來不及移動，這種極化難以發(fā)生。

5. 夾層極化

夾層極化是在多層電介質(zhì)組成的復(fù)合絕緣中產(chǎn)生的一種特殊的空間電荷極化。在高電壓工程中，許多設(shè)備的絕緣都是采用這種復(fù)合絕緣，如電纜、電容器、電機(jī)和變壓器繞組等.在兩層介質(zhì)之間常夾有油層、膠層等形成多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。對于不均勻的或含有雜質(zhì)的介質(zhì)，或者受潮的介質(zhì)，事實(shí)上也可以等價(jià)為這種夾層介質(zhì)來看待。

夾層介質(zhì)在電場作用下的極化稱為夾層極化。夾層極化的發(fā)生是由于各層電介質(zhì)的介電常數(shù)與其電導(dǎo)率比值的不同所致，當(dāng)加上直流電壓后各層間的電場分布，將會出現(xiàn)從加壓瞬時(shí)技介電常數(shù)成反比分布，逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時(shí)的按電導(dǎo)率成反比分布，由此在各層電介質(zhì)中出現(xiàn)了一個(gè)電壓重新分配的過程，最終導(dǎo)致在各層介質(zhì)的交界面上出現(xiàn)宏觀上的空間電荷堆積，形成所謂的夾層極化。其極化過程特別緩慢，所需時(shí)間由幾秒到幾十分鐘，甚至更長，且極化過程伴隨有較大的能量損耗，所以也屬于有損極化。

以雙層介質(zhì)為例，詳細(xì)說明夾層極化的形成過程。圖1-7(a)為雙層介質(zhì)的示意圖。圖1-7(b)為雙層介質(zhì)的等效電路，C₁、C₂分別為介質(zhì)Ⅰ和Ⅱ的電容，G₁、G₂分別為其電導(dǎo)。當(dāng)閉合開關(guān)S突然加上直流電壓U的初瞬(t→0時(shí))，電壓由零很快上升到U，電導(dǎo)幾乎相當(dāng)于開路，這時(shí)兩層介質(zhì)上的電壓按電容成反比分布，即

               (1-4)

在t→∞時(shí)，電容相當(dāng)于開路，電流全部從電導(dǎo)中流過，這時(shí)兩層介質(zhì)上的電壓則按電導(dǎo)成反比分布，即

                                   (1-5)

如果是均勻的單一介質(zhì)，即C₁=C₂，G₁=G₂，則會所以 也就是說，對均勻介質(zhì)來說，加上電壓后不存在電荷重新分配的過程。

一般來說，，所以，這就是說，在兩層介質(zhì)之間有一個(gè)電壓重新分配的過程。例如，設(shè)C₁＞C₂，G₁＜G₂，則在t→0時(shí)，U₁＜U₂；而在t→∞時(shí)，U₁＞U₂。這樣，在t＞0后，隨著時(shí)間t的增大，U₂逐漸下降，而U₁逐漸升高(因?yàn)閁₁+U₂=U，U為電源電壓，是一定值)。在這種電壓重新分配過程中，C₂上初瞬時(shí)獲得的部分電荷將通過電導(dǎo)G₂放掉。為了保持介質(zhì)上所加的電壓仍為電源電壓，所以C₁必須通過G₂從電源再吸收一部分電荷，這部分電荷稱為吸收電荷。這就是夾層介質(zhì)的分界面上電荷的重新分配過程，即夾層極化過程。應(yīng)該指出，多層介質(zhì)的吸收電荷的過程進(jìn)行得非常緩慢，其時(shí)間常數(shù)為

                                    (1-6)

由于介質(zhì)的電導(dǎo)很小，所以時(shí)間常數(shù)τ很大。當(dāng)絕緣受潮或劣化時(shí)，電導(dǎo)增大，τ就會大大下降。利用這一特點(diǎn)，人們采用一種稱為吸收比測量的試驗(yàn)來檢驗(yàn)絕緣是否受潮或嚴(yán)重劣化(將在1.2節(jié)和5.1節(jié)中具體介紹)。