1.1 電介質的極化

1.1.1 電介質的極化現象和相對介電常數

在外加電場作用下，電介質中的正、負電荷將沿著電場方向做有限的位移或者轉向，形成電偶極矩，這種現象稱為電介質的極化。

如圖1-1(a)所示的平行板電容器，當兩極板之間為真空時，在極板間施加直流電壓U，這時兩極板上則分別充有正、負荷，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，這時在外加的直流電場作用下，電介質中的正、負電荷將沿電場方向做有限的位移或轉向，從而使電介質表面出現與極板電荷相反極性的束縛電荷，即電介質發(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度不變，這時必須再從電源轉移一部分電荷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為加入電介質后兩極板間的電容量。

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

                 (1-3)

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

工程上一般采用相對介電常數，電介質的相對介電常數ε_r越大，電介質的極化特性越強，由其構成的電容器的電容量也越大，所以ε_r是表示電介質極化強度的一個物理參數。

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

表1-1                  常用電介質的相對介電常數和電阻率

電介質的相對介電常數ε_r在工程上具有重要的實用意義，舉例如下：

(1)在制造電容器時，應選擇適當的電介質。為了追求體積一定、電容量較大的電容器，應選擇ε_r較大的電介質。

(2)在設計某些絕緣結構時，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，這時則不宜選擇ε_r太大的電介質。

(3)在交流和沖擊電壓作用下，多層串聯電介質中的電場分布與ε_r成反比。這是因為在多層串聯介質中，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，以充分利用電介質的絕緣強度，優(yōu)化絕緣結構。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，遠離芯線處的電場較弱，因此，應使內層絕緣的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

電介質的物質結構不同，其極化形式亦不同。下面介紹電介質極化的幾種基本形式。

1.電子式極化

組成一切電介質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的電子形成的所謂“電子云"構成。當不存在外加電場時，圍繞原子核旋轉的電子云的負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、負電荷量相等，故此時電偶極矩為零，對外不顯示電極性。當外加一電場E，在電場力的作用下電子的軌道將相對于原子核產生位移，使原子中正、負電荷的作用中心不再重合，形成電偶極矩。這個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：

(1)電子式極化存在于所有電介質中。

(2)由于電子異常輕小，因此電子式極化所需時間極短，約為10^-15s，其極化響應速度最快，通常相當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，依靠正負電荷之間的吸引力，其正、負電荷的作用中心即刻重合而恢復成中性。

(4)由于電子式極化消耗的能量可以忽略不計，因此稱為“無損極化"。

2.離子式極化

在離子式結構的電介質中，無外加電場作用時，由于正、負離子雜亂無章的排列，正負電荷的作用相互抵消，對外不呈現電極性。當有外電場作用時，則除了促使各個離子內部產生電子式極化之外，還將產生正、負離子的相對位移，使正、負離子按照電場的方向進行有序排列，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間也很短，約為10^-13s，其極化響應速度通常在紅外線頻率范圍，也可在所有頻率范圍內發(fā)生；極化也是彈性的；消耗的能量亦可忽略不計，因此離子式極化也屬于無損極化。

3. 偶極子式極化

在極性分子結構的電介質中，即使沒有外加電場的作用，由于分子中正、負電荷的作用中心已不重合，就其單個分子而言，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，對外并不呈現電極性。當有外電場作用時，偶極子受到電場力的作用而轉向電場的方向，因此，這種極化被稱為偶極子式極化，或轉向極化，如圖1-4所示。

由于偶極子的結構尺寸遠較電子或離子大，當轉向時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；極化時間較長，為10^-6~10^-2s，通常認為其極化響應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。

溫度對極性電介質的ε_r也有很大影響，其關系較為復雜。如圖1-6所示，當溫度升高時，由于分子間的聯系力削弱，使極化加強；但同時由于分子的熱運動加劇，又不利于偶極子沿電場方向進行有序排列，從而使極化減弱。所以極性電介質的ε_r最初隨溫度的升高而增大，當溫度的升高使分子的熱運動比較強烈時，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生偶極子式極化吸收微波能量來實現的。

4.空間電荷極化

空間電荷極化一般進行得比較緩慢，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，由于帶電質點來不及移動，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組成的復合絕緣中產生的一種特殊的空間電荷極化。在高電壓工程中，許多設備的絕緣都是采用這種復合絕緣，如電纜、電容器、電機和變壓器繞組等.在兩層介質之間常夾有油層、膠層等形成多層介質結構。對于不均勻的或含有雜質的介質，或者受潮的介質，事實上也可以等價為這種夾層介質來看待。

夾層介質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的介電常數與其電導率比值的不同所致，當加上直流電壓后各層間的電場分布，將會出現從加壓瞬時技介電常數成反比分布，逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)時的按電導率成反比分布，由此在各層電介質中出現了一個電壓重新分配的過程，最終導致在各層介質的交界面上出現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。

以雙層介質為例，詳細說明夾層極化的形成過程。圖1-7(a)為雙層介質的示意圖。圖1-7(b)為雙層介質的等效電路，C₁、C₂分別為介質Ⅰ和Ⅱ的電容，G₁、G₂分別為其電導。當閉合開關S突然加上直流電壓U的初瞬(t→0時)，電壓由零很快上升到U，電導幾乎相當于開路，這時兩層介質上的電壓按電容成反比分布，即

               (1-4)

在t→∞時，電容相當于開路，電流全部從電導中流過，這時兩層介質上的電壓則按電導成反比分布，即

                                   (1-5)

如果是均勻的單一介質，即C₁=C₂，G₁=G₂，則會所以 也就是說，對均勻介質來說，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，在兩層介質之間有一個電壓重新分配的過程。例如，設C₁＞C₂，G₁＜G₂，則在t→0時，U₁＜U₂；而在t→∞時，U₁＞U₂。這樣，在t＞0后，隨著時間t的增大，U₂逐漸下降，而U₁逐漸升高(因為U₁+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上初瞬時獲得的部分電荷將通過電導G₂放掉。為了保持介質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。這就是夾層介質的分界面上電荷的重新分配過程，即夾層極化過程。應該指出，多層介質的吸收電荷的過程進行得非常緩慢，其時間常數為

                                    (1-6)

由于介質的電導很小，所以時間常數τ很大。當絕緣受潮或劣化時，電導增大，τ就會大大下降。利用這一特點，人們采用一種稱為吸收比測量的試驗來檢驗絕緣是否受潮或嚴重劣化(將在1.2節(jié)和5.1節(jié)中具體介紹)。