4.2 电介质的损耗(材料物理性能)[讲课适用]

1、6.2 电介质的损耗电介质的损耗 复习复习 1、什么是电介质极化？ 2、给出克劳修斯-莫索蒂方程及其适用范围。 3、高介电晶体 的结构特点。 本节内容本节内容 1、介质损耗产生的原因。 2、介质损耗的表征方法。 3、介质损耗的影响因素。 1优选课堂 一、介质损耗的产生一、介质损耗的产生 1. 1.介质损耗介质损耗 绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效介质电导和介质极化的滞后效 应应，在其内部引起的能量损耗。简称介损。 能量损耗-转变为其它形式的 能，如热能、光能等 电介质加热电介质加热:电极之间加高频电压，因构成电介质的各个分子发生旋转、振电极之间加高频电压，因构成电介质的各个

2、分子发生旋转、振 动、碰撞、摩擦等激烈运动，在电介质内部发热。利用电介质发热的加热动、碰撞、摩擦等激烈运动，在电介质内部发热。利用电介质发热的加热 方式为电介质加热。方式为电介质加热。 + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ eee 2优选课堂 电导损耗电导损耗由由漏导电流漏导电流引起，与引起，与自由电荷自由电荷有关，对电容器施加直流电压，充电有关，对电容器施加直流电压，充电 电流随时间增加而降到某一恒定的数值，这个电流称为电流随时间增加而降到某一恒定的数值，这个电流称为电容器的漏电流电容器的漏电流。 2. 2.介质电导和介质极化的滞后效应介质电导和介质极化的滞后效应

3、1) 1)介质电导的滞后效应介质电导的滞后效应- -电导损耗 结论：电导损耗实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好的液、结论：电导损耗实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好的液、 固电介质在工作电压下的电导损耗很小，损耗随温度的增加而急剧增加固电介质在工作电压下的电导损耗很小，损耗随温度的增加而急剧增加. . + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ eee 与离子电与离子电 导陶瓷材导陶瓷材 料的漏导料的漏导 现象的异现象的异 同？同？ 3优选课堂 主要是因为在外电场作用下,材料内自由电荷重新分布的结果。 介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同？

4、介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同？ 1 1离子电导陶瓷材料的漏导电流离子电导陶瓷材料的漏导电流 在测量陶瓷电阻时，加上直流电压后，电阻需在测量陶瓷电阻时，加上直流电压后，电阻需 要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将要经过一定的时间才能稳定。切断电源后，将 电极短路，有反向放电电流，并随时间减小到电极短路，有反向放电电流，并随时间减小到 零，随时间变化的这部分电流称为零，随时间变化的这部分电流称为吸收电流吸收电流， 最后恒定的电流称为最后恒定的电流称为漏导电流漏导电流。 产生的原因产生的原因-空间电荷效应空间电荷效应 在电场作用下，正负离子分别向负、正极移动，引起介质内 各 点

5、离子密度变化，并保持在高势垒状态。在介质内部， 离子减少，在电极附近离子增加，或在某地方积聚，这样形 成自由电荷的积累，称空间电荷。 + + - - 4优选课堂 极化损耗由极化电流引起，介质极化的建立引起电流，与极 化松弛等有关； 2）介质极化的滞后效应：）介质极化的滞后效应：极化损耗 时间时间 VP 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子转向极化和 空间电荷极化，这种极化损耗能量。 极化损耗与温度、电场频率有关。 + + + + _ _ _ _ + - 5优选课堂 3 3）常见介质中的损耗形式）常见介质中的损耗形式 非极性的液体电介质、 无机晶体和非极性有机电介质 电导损耗 极性电介质及

6、结构不紧密的离 子固体电介质 极化损耗和电导损耗 6优选课堂 损耗角正切tg介质损耗大小 损耗因子tg作为绝缘材料的选择依据 品质因素Q=1/tg应用于高频 损耗功率p功率的计算 等效电导率=电介质发热 复介电常数的复项研究材料的功率、发热 有关介质的损耗描述方法有多种，哪一种描述方法比较方便， 需根据用途而定。 二、介质损耗的表征方法二、介质损耗的表征方法 7优选课堂 在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间 的夹角(功率因数角)的余角()。 简称介损角 1 1、介质损耗角、介质损耗角 2 2、介质损耗正切值、介质损耗正切值tgtg 又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称

7、介损角正切。介 质损耗因数的定义如下 8优选课堂 这正是损失角=(90-)的正切值。因此现在的数字化仪 器从本质上讲，是通过测量或者得到介损因数。 总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此： 电流相量 的相量图： 和电压相量 9优选课堂 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 损耗角正切：损耗角正切： 10优选课堂 1）复介电常数的含义）复介电常数的含义 原子核外电子云的畸变极化；原子核外电子云的畸变极化； 分子中正、负离子的（相对）位移极化；分子中正、负离子的（相对）位移极化； 分子固有电矩

8、的转向极化。分子固有电矩的转向极化。 电极化的基本过程有三： 在外界电场作用下，介质的介电常数在外界电场作用下，介质的介电常数 是综合地反映这三是综合地反映这三 种微观过程的宏观物理量；它是频率种微观过程的宏观物理量；它是频率 的函数的函数()()。 3 3、复介电常数、复介电常数 11优选课堂 只当频率为零或频率只当频率为零或频率 很低（例如很低（例如1 1千赫）时千赫）时, , 三种微观过程都参与三种微观过程都参与 作用，这时的介电常作用，这时的介电常 数数(0)(0)对于一定的电介对于一定的电介 质而言是个常数，通质而言是个常数，通 称为介电常数，这也称为介电常数，这也 就是就是静电介电

9、常数静电介电常数 s s 或低频介电常数。或低频介电常数。 低频极化低频极化 空间电荷空间电荷 极化极化 松弛极化松弛极化 离子极化离子极化 电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外 极极 化化 率率 或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系 12优选课堂 中频极化中频极化 随着频率的增加，随着频率的增加， 分子固有电矩的转分子固有电矩的转 向极化逐渐落后于向极化逐渐落后于 外场的变化，这时，外场的变化，这时， 介电常数取复数形介电常数取复数形 式式()()()-()- j()j()，其中虚部，其中虚部 ()()代表介质损耗；代表介质损耗；

10、它是由于电极化过它是由于电极化过 程追随不上外场的程追随不上外场的 变化而引起的。变化而引起的。 实部随着频率的增加而显著下降，虚部出现峰值。实部随着频率的增加而显著下降，虚部出现峰值。 空间电荷空间电荷 极化极化 松弛极化松弛极化 离子极化离子极化 电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外 极极 化化 率率 或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系 13优选课堂 频率再增加，实部频率再增加，实部 ()()降至新值，虚部降至新值，虚部 ()()变为零，这表示变为零，这表示 分子固有电矩的转向极分子固有电矩的转向极 化已不能响应了。化已不能响应

11、了。 当频率进入到红外区，当频率进入到红外区， 分子中正、负离子电矩分子中正、负离子电矩 的振动频率与外场发生的振动频率与外场发生 共振时，实部共振时，实部()()先先 突然增加，随即陡然下突然增加，随即陡然下 降降,(),()又出现峰值；又出现峰值； 过此以后，正、负离子过此以后，正、负离子 的位移极化亦不起作用的位移极化亦不起作用 了。了。 高频极化 空间电荷空间电荷 极化极化 松弛极化松弛极化 离子极化离子极化 电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外 极极 化化 率率 或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系 14优选课堂 光频极化光

12、频极化 在可见光区在可见光区, ,只有电只有电 子云的畸变极化在起子云的畸变极化在起 作用了作用了, ,这时实部取这时实部取 更小的值，称为光频更小的值，称为光频 介电常数，记以介电常数，记以 ，虚部对应于，虚部对应于 光吸收。光吸收。 光频介电常数光频介电常数 实际上随频率的增加实际上随频率的增加 而略有增加。而略有增加。 在某些频率时在某些频率时, ,实部实部 ()()先突然增加随先突然增加随 即陡然下降，与此同即陡然下降，与此同 时虚部时虚部()()出现峰出现峰 值，这对应于电子跃值，这对应于电子跃 迁的共振吸收。迁的共振吸收。 空间电荷空间电荷 极化极化 松弛极化松弛极化 离子极化离子

13、极化 电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外 极极 化化 率率 或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系 15优选课堂 i i * * J=(i+)E 复电导率：复电导率： *= 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 复介电常数复介电常数 2 2）漏导复介电常数：）漏导复介电常数： 16优选课堂 复介电常数: i i * * * = - i” = ”=/ 损耗角正切： 电容项 损耗项 tg 和”是依赖于频率的量

14、 介质的损耗由复介电常数的虚部引起，通常电容 电流由实部引起，相当于实际测得介电常数。 17优选课堂 时间时间 P 理想理想Po 实际实际 P 介质的弛豫过程 极化强度随时间变化的速率 111 PP dt dP P0=x0E，P1=x1E x0，x1绝对极化系数，是弛豫时间常数 2 2）极化损耗的复介电常数）极化损耗的复介电常数 18优选课堂 交变电场作用下的P(t)为： EE i P r c 0 1 0 ) 1 ( r c -复极化系数(相对) 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.极化损

15、耗复介电常数极化损耗复介电常数 19优选课堂 低频或者静态低频或者静态:r取取(0)， (0)代表静态相对介电常数；代表静态相对介电常数； 频率频率: r ， ，代表光频相对介电常数 代表光频相对介电常数 r rr 0 10 1 1)0( C.(0) 和和 1 0 1 11 rr r rr cr i i B.极化损耗复介电常数含义：极化损耗复介电常数含义： 20优选课堂 其中：其中： (0) -(0) -低或静态的相对介电常数低或静态的相对介电常数 - - 时的相对介电常数时的相对介电常数 r()=+ (0) - /(1+i ) r = + (0) - /(1+ 22) （ r()的实部） r

16、 = (0) - /(1+ 22) （ r()的虚部） tg=r/ r D.复介电常数的德拜表达式复介电常数的德拜表达式 r rr 0 10 1 1)0( 1 0 1 11 rr r rr cr i i 21优选课堂 研究了电介质的介电常数研究了电介质的介电常数 、反映介电损耗的、反映介电损耗的 r r 、所加电场的角频率、所加电场的角频率 及松弛时间及松弛时间 的关系。的关系。 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 时，时， r r 都小，都小， 即：松弛时间和所加电场的频率相比，较大时，偶极子来不及转移定向，即：松弛时间和所加电场的频

17、率相比，较大时，偶极子来不及转移定向， r r 就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速， r r 也小。也小。 E.E.德拜表达式的意义德拜表达式的意义 22优选课堂 1）直流电压下）直流电压下 PW=IU=GU2 G为介质的电导,单位为西门子(S)。 2 2 E V GU V P p W 在一定的直流电场下，介质损耗率取决于材料的电导率 4 4、介质损耗功率、介质损耗功率 定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率介质损耗功率p p， V为介质体积，为纯自由电荷产生的电导率(S/m)。 23优选课堂 r r tg 2 2）交流电压下）交流电压下 =tg 介质

18、等效电导率 介质损耗只与tg有关。 tg仅由介质本身决定，称为损耗因素。 2 2 2 ti W Etg E V GU V P p r即为通常测量的r，则 r 2 0 2 1 0 在高频电压下在高频电压下，1, 0 0 在低频电压下，在低频电压下，1,与与2成正比。成正比。 r = (0) - /(1+ 22) 介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关。 外施电压一定时外施电压一定时: : 24优选课堂 1）当外加电场频率很低，即0时，介质的各种极化都能跟上外加 电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。 介电损耗主要由电导损耗引起，PW和频率无关。tg=/，则当 0时，t

19、g。随着的升高，tg减小。 三、三、 介质损耗的影响因素介质损耗的影响因素 频率、温度、湿度频率、温度、湿度 1. 1.频率的影响频率的影响 电容项 损耗项 tg 25优选课堂 2）当外加电场频率逐渐升高时， 松弛极化在某一频率开始跟不 上外电场的变化，松弛极化对 介电常数的贡献逐渐减小，因 而r随升高而减少。 在这一频率范围内，由于1， 此时tg随升高而减小。 时，tg0。 /0 0 1/0 1/0 22 22 r r tg 27优选课堂 （1）当温度很低时,较大,由德拜关系式可知,r较小， tg也较小 22 1 , 1 tg 2. 2.温度的影响温度的影响 在此温度范围内，随温度上升，减小

20、，r、tg和PW上升。 温度对松弛极化产生影响，因而P，和tg与温度关系很大。松弛极化随 温度升高而增加，离子间易发生移动，松弛时间常数减小。 28优选课堂 (2)当温度较高时，大于Tm，较小，此时 20 0 tg 在此温度范围内，随温度上升，减小，tg减小。PW主要决定 于极化过程， PW也随温度上升而减小。 29优选课堂 （3）当温度继续升高，达到很 大值时，离子热运动能量很大， 离子在电场作用下的定向迁移 受到热运动的阻碍，因而极化 减弱，r下降。 电导损耗剧烈上升，tg也随温 度上升急剧上升。 30优选课堂 介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于 电导损耗增大以及松驰极化

21、损耗增加，而使tg增大。 对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如， 纸内水分含量从4增加到10时，其tg可增加100倍。 3. 3.湿度的影响湿度的影响 31优选课堂 四、压碱效应和双碱效应四、压碱效应和双碱效应 （一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应 1 1、玻璃电导中为什、玻璃电导中为什 么采用压碱效应和双么采用压碱效应和双 碱效应？碱效应？ 因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延 长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。 2

22、2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用 减小玻璃减小玻璃 电导率电导率 3 3、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理 指当玻璃中碱指当玻璃中碱 金属离子总浓度较大时金属离子总浓度较大时( (占玻璃组成占玻璃组成25-30%)25-30%)， 碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱 金属离子的玻璃电导率要小。金属离子的玻璃电导率要小。 A.A.双碱效应：双碱效应： 32优选课堂 R K+R Li+，在外电场的作用下，碱金 属离子移动时，Li+离子

23、留下的空位比 K+留下的空位小， K+只能通过本身的 空位； Li+进入大体积空位，产生应力，不稳 定，只能进入同种离子空位较为稳定； 大离子不能进入小空位，使通路堵塞， 妨碍小离子的运动； 相互干扰的结果使电导率大大下降。 以K2O、Li2O为例例例 33优选课堂 指含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物， 使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应 越强。 压碱效应机理压碱效应机理 由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃 网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难， 因而电导率降低。 结论：结论： 一般玻璃相的电导率比晶体相高。因此对介质材料应尽一般玻

24、璃相的电导率比晶体相高。因此对介质材料应尽 量减少玻璃相的电导。量减少玻璃相的电导。 B.B.压碱效应压碱效应： 34优选课堂 （一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应 1 1、玻璃、玻璃损耗损耗中为什中为什 么采用压碱效应和么采用压碱效应和 双碱效应？双碱效应？ 因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。 因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可 能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大能发

25、生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大 2 2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用 减小玻璃减小玻璃 损耗损耗 35优选课堂 两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，在碱性氧化物的一两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，在碱性氧化物的一 定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上 不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金 属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。属

26、离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。 3 3、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理 A.双碱效应：双碱效应： 在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效 应特别明显。因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固应特别明显。因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固 起来，减少松弛极化作用，因而使起来，减少松弛极化作用，因而使tgtg降低。降低。 B.B.压碱效应压碱效应 36优选课堂 电介质损耗用作一种电加热手段，即利用高频电场（一 般为0.3300

27、兆赫）对电介质损耗大的材料（如木材、纸、 陶瓷等）进行加热。 频率高于300兆赫时，达到微波波段，即为微波加热（家 用微波炉即据此原理）。 五、介电损耗的应用五、介电损耗的应用 当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合，应尽量采用介 质损耗因数（即电介质损耗角正切tg，它是电介质损耗与 该电介质无功功率之比）较低的材料。 37优选课堂 总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电 导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子， 并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能并包括空穴和缺位）移动时，将它

28、在电场中所吸收的能 量部分地传给周围量部分地传给周围“分子分子”，使电磁场能量转变为，使电磁场能量转变为“分分 子子”的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。 结论：结论： 38优选课堂 6.3 介电击穿介电击穿 一、介质的击穿一、介质的击穿 二、击穿类型二、击穿类型 热击穿热击穿 电击穿电击穿 化学击穿化学击穿 三、改善击穿的措施三、改善击穿的措施 本节内容本节内容 复习复习 1、电介质产生损耗的原因？ 2、表征电介质损耗的复介电常数的表达式及含义是什么？ 3、介质损耗的影响因素。 39优选课堂 一、介质的击穿一、介质的击穿 在强电场作用下，电介质在强

29、电场作用下，电介质丧失电绝缘能力丧失电绝缘能力，电介质的电导突然增大甚至引电介质的电导突然增大甚至引 起起结构损坏或破碎结构损坏或破碎，称为介电击穿。，称为介电击穿。 a.可用击穿效应来破碎非金属矿石等 b.击穿是标志电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电 力设备，电子元器件最终使用寿命的重要因素。 + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ eee + + + + _ _ _ _ ee e e e e e 1. 1.介电击穿介电击穿 40优选课堂 3. 3.介电强度介电强度 2. 2.击穿电压击穿电压 导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。 电介质能够经受而不致

30、损坏的最大电场称为击穿场强电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强, , 即介电强度Ec，是绝缘性能好坏的一个重要标志。是绝缘性能好坏的一个重要标志。 均匀电场介电强度: :击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度（简称 击穿场强，又称介电强度），它反映固体电介质自身的耐电强度。 不均匀电场介电强度:击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场 强，它低于均匀电场中固体电介质的介电强度。 41优选课堂 在电场作用下，固体电介质承受的电场强度虽不足在电场作用下，固体电介质承受的电场强度虽不足 以发生电击穿，但因电介质内部热量积累、温度过以发生电击穿，但因电介质内部热量积累、温度过

31、高而导致失去绝缘能力，从而由绝缘状态突变为良高而导致失去绝缘能力，从而由绝缘状态突变为良 导电状态。导电状态。 （一）（一） 固体电介质的热击穿固体电介质的热击穿 1 1）热击穿的本质）热击穿的本质 发生在高频、高压下。热击穿的核心问题是散热问题。 二、固体电介质的击穿类型及影响因素二、固体电介质的击穿类型及影响因素 热击穿、电击穿和电化学击穿 42优选课堂 Q1：单位时间内固体电介质的发热量 Q2:单位时间内固体电介质的散热量 E3 Ec E1 2 2）热击穿过程）热击穿过程 固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗而发热。 A.A.外加电场为外加电场为E E3 3 E Ec c 固体电介质

32、中的发热量固体电介质中的发热量Q Q1 1大于大于 散热量散热量Q Q2 2 ，介质温度上升，且，介质温度上升，且 因因Q Q1 1 始终大于始终大于Q Q2 2，所以固体电，所以固体电 介质的温度不断上升，最终介质介质的温度不断上升，最终介质 被被烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝 缘性能缘性能，发生热击穿。，发生热击穿。 43优选课堂 B.B.外加电场为外加电场为E E1 1 Q Q2 2 ，固体电介，固体电介 质温度上升；但当温度度升到质温度上升；但当温度度升到 TcTc时，发热量与散热量时，发热量与散热量 相等，相等， 建立起了热平衡。此时，若介建立起了热平衡。此时，

33、若介 质能耐受温度质能耐受温度T Tc c的作用，则固的作用，则固 体电介质能正常工作，不会发体电介质能正常工作，不会发 生热击穿。生热击穿。 C.外加电压为等于外加电压为等于Ec 当介质温度升到当介质温度升到Tc时，建立起了热平衡，但不稳定。温度略有升高，时，建立起了热平衡，但不稳定。温度略有升高， 发热量发热量Q1即大于散热量即大于散热量Q2，最终仍然发生热击穿。电场强度，最终仍然发生热击穿。电场强度Ec是发生是发生 热击穿的临界场强热击穿的临界场强Ec 。 介质中发热与散热平衡关系示意图 44优选课堂 A，B是与材料有关的常数。 (1)热击穿电压随环境温度升高而降低。 (2)热击穿电压大

34、致不随介质的厚度变化。 0 2/ TB oc AeU 1）温度不均匀的厚膜介质 2.温度均匀薄膜介质 1/2 0 c d U e e为自然对数的底， Uc随试样厚度的平方根而变化。 3 3）热击穿电压）热击穿电压 45优选课堂 电击穿是介质在强电场作用下, 被击发出自由电子而引起 电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得 到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在 电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速 而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰 撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升， 最后导致击穿。 （二）（二） 固体介质的电击穿固体介质的电击穿 电击穿 取决于固体电介质

35、中碰撞电离的一种击穿形式。电场使电介质中 积聚起足够数量和足够能量的自由电子，导致电介质丧失绝缘性能。 1 1）电击穿的本质）电击穿的本质 E e e e e e ee 46优选课堂 1)外加电场为外加电场为 E2 Ec 一部分传导电子的能量处于一部分传导电子的能量处于W2 Wc 之间，之间， 单位时间内这些电子取得的能量单位时间内这些电子取得的能量A始终大于失始终大于失 去的能量去的能量B，电子被加速，碰撞晶格时产生电，电子被加速，碰撞晶格时产生电 离，使处于离，使处于导带的电子不断增加导带的电子不断增加，电流急剧上，电流急剧上 升，最终导致固体电介质击穿。升，最终导致固体电介质击穿。 2)

36、外加电场为外加电场为E1 B而使晶格发生碰撞电离、产生新的而使晶格发生碰撞电离、产生新的 传导电子；但因电子能量大于传导电子；但因电子能量大于W1 的概率很低的概率很低, 所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体 电介质不会击穿。电介质不会击穿。 A 、B 与 W的关系 E2 Ec E1 晶格温度T为定值 介电强度介电强度: :处于临界状态的处于临界状态的E Ec c 即为固体电介质的即为固体电介质的介电强度介电强度 A:A:单位时间内这些电子取单位时间内这些电子取 得的能量得的能量 B:B:单位时间内传导电子失去单位时间内传导电子失去 的能量的能量 E

37、:E:电场强度电场强度 W:W:电子本身能量电子本身能量 T:T:晶格温度晶格温度 2）电击穿的过程）电击穿的过程 47优选课堂 3 3）击穿场强）击穿场强 多发生在温度较低、电压作用时间较短时，纯净、均匀固体电介质中。 当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程 便立即发生。把这一起始场强作为介质电击 穿场强的理论即为本征击穿理论. A.A.本征电击穿理论本征电击穿理论 本征电击穿场强，随温度升高而降低。 温度温度 48优选课堂 1）“雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值 （足以破坏介质绝缘状态）作为电击穿判据。 2）Seitz提出以电子“崩”传递给介质的能量足以破坏介质晶体结构

38、 作为击穿判据。 B. “B. “雪崩雪崩”电击穿理论电击穿理论 电击穿判据： 本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破坏后突然发生的，而“雪崩” 击穿是考虑到高场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度， 最终介质晶格破坏。 “雪崩雪崩”电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别： 49优选课堂 “四十代理论四十代理论” 从阴极出发的电子，一方面进行“雪崩”倍增；另一方面向阳极运动。 由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数 达到40次，介质便击穿。一般用来说明“雪崩”击穿的形成，并称之为 “四十代理论”。 由“四十代理论”可以推断，当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四 十代，电子崩已进入阳极复合，此时介质不能击穿，即这时的介质击穿 场强将要提高