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电介质

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  • 发布时间:2013/9/2 17:26:24
  • 作者:银河电气

一、电介质的概述

  电工中一般认为电阻率超过10欧/厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着,因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下,这些电荷也只能在微观范围内移动,产生极化。在静电场中,电介质内部可以存在电场,这是电介质与导体的基本区别。不导电的物质,如空气、玻璃、云母片、胶木等。
  电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类,后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等,是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩,因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化,能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高,被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高,不能称为绝缘体,但由于能发生极化过程,也归入电介质。
通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消,宏观上不表现出电性,但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化:
1.原子核外的电子云分布 产生畸变,从而产生不等于零的电偶极矩,称为畸变极化;
2.原来正、负电中心重合的分子,在外电场作用下正、负电中心彼此分离,称为位移极化;
3.具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的,宏观上电偶极矩总和等于零,在外电场作用下,各个电偶极子趋向于一致的排列,从而宏观电偶极矩不等于零,称为转向极化。
  应用于显示的液晶,在静电效应的应用和防护方面的材料,可以用于隐形技术方面的微波电介质材料,以及作为结构材料应用的电介质。

二、电介质的极化

  电介质中电偶极矩的矢量和不为零的现象。电介质可分为两类:一类是非极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置重合),另一类是极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置不重合)。在无外电场作用时,非极性电介质分子的等效电偶极矩为零;极性电介质分子由于排列杂乱无章,其等效电偶极矩的矢量和亦为零。在有外电场作用时,非极性电介质分子的正负电荷平均位置相对位移,极性电介质分子的电偶极矩发生转向。这样,都将出现极化现象。极化的程度,可用电极化强度P表示。P为每单位体积内的电偶极矩,即它是矢量,其单位在国际单位制中是库仑/米2。根据实验,许多电介质的电极化强度P与电场强度E成正比,即

  式中ε0为真空介电常数;χ为电极化率,对于各向同性电介质为一标量,对于各向异性电介质为一张量。
  某些电介质中偶极分子间作用很强,无外电场时,在小体积内分子互相平行排列,形成有宏观偶极矩的电畴。这种无外电场时电畴内部分子已出现极化的现象称为自发极化。热释电材料、铁电材料均有自发极化。当然,这类有电畴结构的电介质,由于电畴之间的排列无序,故无外电场时,整体上也不显示出极化。电场强度乘以真空介电常数并与电极化强度相加之合成矢量,即为电位移D

  或表示为电介质的本构方程D=εE式中ε为电介质的介电常数。根据高斯通量定理这表明电位移D的通量是由自由电荷qf发出的。束缚电荷虽然可能影响D的分布,但不会发出D的通量。在有些情况下使用该式更加方便,因为该式等号右端项中不包含束缚电荷。在时变电磁场中,电位移的时间变化率就是位移电流密度。电位移的单位在国际单位制中为库仑/米2(C/m2)。

三、电介质的应用

  在电工技术中,电介质主要用作为电气绝缘材料,故电介质亦称为电绝缘材料。随着科学技术的发展,发现一些电介质具有与极化过程有关的特殊性能。如不具有对称中心的晶体电介质,在机械力的作用下能产生极化,即压电性;不具有对称中心,而具有与其他方向不同的唯一的极轴晶体存在自发极化,当温度变化能引起极化,即具有热释电性;当自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变,它的极化强度与外施电场的关系曲线与铁磁材料的磁化强度与磁场的关系曲线极为相似,即具有电滞曲线(铁电性)。具有压电性、热释电性、铁电性的材料分别称为压电材料、热释电材料、铁电材料。这些具有特殊性能的材料统称为功能材料。它是电介质的一个重要组成部分。可用作机械、热、声、光、电之间的转换,在国防、探测、通信等领域具有极为重要的用途。

 

  作者:vfecc

  单位:湖南银河电气有限公司(www.vfe.cc


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