电介质物理学RISC哈理工电气专业课 哈尔滨理工大学电气.docx
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电介质物理学RISC哈理工电气专业课哈尔滨理工大学电气
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电介质物理学
电气工程及其自动化刘骥2005
绪论
一、本课程研究内容
(相对)介电常数ε介质损耗角正切tgδ电导率γ极化无单位
第一章恒定电场下电介质的极化
§1-1介质的极化及其表征参数一、极化定义1、极化过程
损耗
无单位
电偶极子:
-Q+Q
学
固有偶极矩
电偶极矩大小:
|μ|=Q?
l方向:
负电荷→正电荷单位:
德拜(Debye)
击穿场强Eb
击穿
MV/m
大
l
电导
S/m
主要研究:
4大参数与介质微观结构的关系二、本课程重要地位
基础课专业平台课
滨理
工
专业课
1D=3.33×10?
30C?
m
微观中原子(分子):
→位移极化例子
E=0
E>0
专业基础
要求掌握:
基本概念、基本规律、数量级三、课程考核
正负电荷中心重合
正负电荷中心分离
|μ|=0
|μ|≠0
尔
宏观中介质:
→转向极化例子
E=0E>0E>0
期末(80%)+平时(10%)+实验(10%)
哈
宏观偶极矩Σμ=0
偶极子转向
偶极子转向一致
-2-
于是,对总电荷为零系统
E>0E>0
束缚电荷
Ed
退极化电场内部偶极矩抵消宏观偶极矩Σμ≠0
该系统的电偶极矩:
工
2、极化定义定义:
电介质在电场作用下,沿电场方向产生偶极矩(感应偶极矩),介质表面产生束缚电荷(感应束缚电荷)的现象。
m
例:
已知O-H键偶极矩为μO?
H=5.27×10?
30C?
m,两个O-H键间夹角为104o,求强极性水分子的固有偶极矩μHO。
2
求该系统的电偶极矩。
解:
设参考点至点电荷qj的径向量为rj,系统的电极矩
滨理
例:
m个电荷组成的系统中,在总电荷量为零,jΣ1qj=0,即=
解:
大
学
μH2O
如图所示,令
正负电荷重心坐标:
76o
尔哈
222μ=μO?
H+μO?
H?
2?
μO?
H?
cos76o=6.49×10?
30C?
m
3、极化结果①沿电场方向产生感应偶极矩Σμ≠0;②介质单位体积内电偶极矩向量和Σμ/ΔV≠0;③介质表面产生(感应)束缚电荷σ';④束缚电荷在介质内部产生退极化电场Ed。
-3-
二、表征极化的物理参数1、极化强度①定义:
介质单位体积内电偶极矩向量和
真空
介质
σ0(总电荷面密度)
是表征介质在电场作用下极化程度的物理量。
②P~σ'(表面束缚电荷面密度)关系(C/m2)
σ''(自由电荷面密度)
学
S
σ'(束缚电荷面密度)
大
真空下,由高斯通量定理:
任何闭合曲面的电感应强度(电位移矢量)积分等于其所包含的自由电荷电量,即
∫D?
ds=Q''
D=Q''=σ''S
滨理
-4-
工尔
?
?
|Σμ|=P?
ΔV=P?
L?
ΔS?
cosθ?
?
σ'=P?
cosθ对平板电容器介质,θ=0,即σ'=P|Σμ|=σ'?
ΔS?
L
所以
对平板电容器系统,
对均匀各向同性介质,
D=ε0εED=ε0E(真空)D=ε0εE=σ0
D=ε0E=σ''(真空)
哈
③P~E关系考虑平板电容器系统,外施电压恒定条件下,介质极化时电荷分布如图所示:
介质存在时,有
σ0=σ''+σ'
因而存在关系式
D=ε0E+P
P=ε0(ε?
1)E
2、极化系数χ
α单位:
(ε0=8.85×10?
12F/m)
大
|F|②按电荷密度比值定义
ε=
|F0|
=(
q1q2qq)/12224πε0r124πε0εr12
Ed
工滨理哈
μ=α?
Eiα=μ
对平板电容器系统,
学
3、(相对)介电常数①根据库仑力定义
三、退极化电场
Ed:
介质极化后,表面束缚电荷σ'在介质内部产生的附加电场,其
作用使P减弱,故称为~。
③按电容比值定义
Ed=?
σ'P=?
ε0ε0
P
Ed的一般形式:
该方式定义容易测量,为常用方法。
式中,C—填充介质时电容值;C0—真空时电容值(几何电容)。
Ed=?
β
ε0
β—内电场系数,与介质形状有关,如表所示。
分子极化率
Ei意义为:
单位电场强度(Ei=1V/m)下,每个分子在电场E方向感应的偶极矩。
-5-
尔
4、分子极化率设作用于分子的电场Ei(一般Ei≠E),则每个分子平均感应偶极矩:
四、极化种类①电子(位移)极化:
瞬时温度无关一切物质②离子/原子(位移)极化:
瞬时温度无关离子晶体
③④⑤⑥
偶极子转向极化:
松弛温度有关极性介质空间电荷极化:
松弛温度有关杂质介质界面极化:
松弛温度有关串联介质自发极化:
松弛温度有关铁电体
§1-2电介质的分类一、电介质定义电场作用下能建立极化的一切物质,不仅包括绝缘材料,还包括各种功能材料,如压电晶体、铁电体、电解液等。
二、电介质分类1、非极性介质无外电场作用,分子正负电荷重心重合,不存在固有偶极矩,即μ0=0;①单原子分子He、Ne、Ar、Kr、Xe②相同原子构成的双原子分子H2、O2、N2、Cl2③结构对称的多原子分子ClCO2(O=C=O)
大
元素
②结构不对称的多原子分子H2OC6H5Cl三、影响因素1、分子结构分子结构对称,为非极性介质;不对称,极性介质。
2、电负性电负性大,原子易得到电子;电负性小,原子易失去电子。
构成双原子分子的两原子电负性相差越大,分子的偶极矩越大,如图所示。
学
电负性
工
化合物
μ0(×1030C?
m)
滨理
FClBrI
4.03.02.82.4
HFHClHBrHI
6.73.52.61.3
C6H6CH4
CCl4(Cl
C
Cl)
Cl
2、极性介质无外电场作用,分子正负电荷重心不重合,存在固有偶极矩,即μ0≠0。
①不同原子构成的双原子分子NaCl、HCl
-6-
四、常用电介质分类工程上,由于介质中杂质的存在,一般μ0≠0,可以按如下分类:
①μ0=0非极性绝缘油(纯净)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)②0<μ0<0.5D弱极性非极性材料受污染、吸杂、氧化③0.5D<μ0<1.5D中等极性聚氯乙烯(PVC)、酚醛树脂④μ0>1.5D强极性水、醇等含氢键介质
哈
尔
§1-3分子极化率一、电子极化率αe1、电子(位移)极化外电场作用下,原子外围电子云相对原子核发生位移形成的极化。
2、电子极化率设Z为原子序数,a为电子云球形半径,作用电场为Ei,电子云重心与原子核发生位移x,如图所示:
平衡时,|fC|=|fE|,则电子位移于是
滨理
-7-
+Ze
-Ze
Ei对核电场力fE=(+Ze)?
Ei
哈
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