无机材料物理性能9

无机材料物理性能2023年2月5日第十三讲1损耗的形式介质损耗的表示方法

介质损耗和频率、温度的关系

无机介质的损耗

7.2介质损耗无机材料的介电性能2一、复介电常数与介质损耗1、基本概念介质损耗：任何介质在电场作用下，或多或少会把部分电能转换成热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称介质损耗。常用tgδ来表示。其值越大，损耗越大，δ为介质损耗角。3损耗如何产生的？要有电流。电流如何来的？主要有以下三部分：1）理想电容充放电形成的电流（电容电流）直流，交流2）真实电介质极化建立的电流（极化电流）3）真实电介质的漏导电流。（漏导电流）4损耗的形式介质损耗极化损耗：松弛极化、转向极化、空间电荷极化等在极化缓慢建立过程中会因克服阻力而引起能量消耗，称极化损耗。漏导损耗：实际绝缘材料并非理想电介质，电阻也并非无穷大，在外电场作用下，总有些带电质点发生移动而形成电流，称漏导电流。因漏导电流使介质发热而产生的损耗称“漏导损耗”。52、介质损耗的表示当容量为C0=0A/d的平板电容器上加一交变电压U=U0eiwt。则：1）对真空平板电容器，平板上的电荷为：产生的回路电流为：6介质损耗的表示电介质中电场与电流方向的示意图72）在电容器极板间填充相对介电常数为εr的理想介电材料时，电容上的电流为：8介质损耗的表示3）对于实际电介质，除电容电流外，还会有极化电流或漏导电流，这两者形成一电导分量，用GU表示。G：电导，G=1/R=A/d，单位：西门子（S,Ω-1）其中，G=A/d，C=A/d带入上式并简化得：故有9介质损耗的表示则即10类似根据理想情况，按来定义复相对介电常数εr*或复介电常数ε*与前式比较有：11故有即复介电常数即复相对介电常数12注意：此处要弄清实部、虚部的来源及含义。由式知：其中ωε代表了电容电流的大小；

σ代表了损耗电流的大小。类似，在ε*中，ε代表了电容项；

σ/ω代表了损耗项。13由此定义损耗角正切：更一般的表示：其中δ为损耗角143、介质弛豫与德拜方程德拜（Debye）公式15二、影响介质损耗的因素1、频率的影响εr，tgδ，p与ω的关系16影响介质损耗的因素不同带穿电导的介质tgδ与ω的关系17影响介质损耗的因素2、温度的影响εr、tgδ、P与T的关系18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损耗增加，而使tgδ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tgδ可增加100倍。影响介质损耗的因素19无机介质的损耗无机材料的损耗形式主要有：电导损耗松弛极化损耗电离损耗结构损耗20电离损耗电离损耗主要发生在含有气相的材料中。含有气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功率可以用下式近似计算：U为外施加电压；U0为气体的电离电压21结构损耗结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tgδ则和频率无关。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在低温、高频下主要为结构损耗。22离子晶体的损耗离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，无极化损耗。结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动范围扩大，损耗较大。23玻璃的损耗复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，决定于外界因素――温度和外加电压的频率。24玻璃的tgδ与温度的关系1、结构损耗；2、松弛损耗3、电导损耗；4、总损耗25Na2O－K2O－B2O3玻璃的tgδ与组成的关系26陶瓷材料的损耗主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗。大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。27降低材料的介质损耗的方法选择合适的主晶相。改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。尽量减少玻璃相。防止产生多晶转变。注意焙烧气氛。控制好最终烧结温度28讨论介质损耗的意义绝缘结构设计时必须注意