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离子位移极化 —— Ionic Polarization

电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。 正离子沿电场方向 移动，负离子沿反电场方向移动。 由此形成的极化称为 离子位移极化。

离子在电场作用下偏移平衡位置的移动 相当于形成一个感生偶极矩 。

离子位移极化所需时间大约为10 -12～10 -13秒 。不以热的形式耗散能量，不导致介电损耗。

介质损耗

• 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

介质损耗定义：

电介质在单位时间内 消耗的能量 称为电介质损耗功率， 简称电介质损耗。 或：电场作用下的能量损耗， 由电能转变为其它形式的能 ，如热能、光能等，统称为 介质损耗 。它是导致 电介质发生热击穿 的根源。

损耗的形式：

电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。实质是 相当于交流、直流电流流过 电阻做功 ，故在这两种 条件下都有 电导损耗 。 绝缘好时 ，液、固电介质在工作电 压下的 电导损耗 是很小的，

极化损耗： 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子 的极化损耗。

游离损耗： 气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放 电引起的功率损耗称为游离损耗。

介质损耗的表示：

当容量为 C0=  0S/d 的平板电容器上 加一交变电压U=U0eiwt。则：

1 、 电容器极板间为真空介质时， 电容上的电流为 ：

2 、 电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：

3、电容器极板间为 弱导电性或极性 ， 电容上的电流为：

G是由自由电荷产生的纯电导， G=  S/d ， C=  S/d

如果电荷的运动是自由的， 则 G 实际上与外电压额率无关 ；如果这些电荷是被 符号相反的电荷所束缚， 如振动偶极子的情况， G 为频率的函数。

介质弛豫和德拜方程：

1）介质弛豫： 在外电场施加或移去后，系统逐渐达到平衡状 态的过程叫介质弛豫。 介质在交变电场中通常发生弛豫现象，极化的弛豫。 在介质上加一电场，由于极化过程不是瞬时的，极化包括两项：

P ( t ) = P 0 + P 1 ( t )

P 0 代表瞬时建立的极化( 位移极化 ) ， P 1 代表松弛极化P 1( t ) 渐渐达到一稳定值。这一滞后 通常是由偶极子极化和空间电荷极 化所致。 当时间足够长时， P 1( t )→ P 1 ∞ ， 而总极化 P ( t ) → P∞ 。

2）德拜(Debye)方程：

频率对在电介质中不同的驰豫现象有关键性的影响。 设低频或静态时的相对介电常数为 ε (0) ，称为静态相对介电常数；当频率 ω→∞ 时，相对介电常数 ε r’ → ε ∞ （ ε ∞ 代表光频 相对介电常数）。则复介电常数为：

影响介质损耗的因素：

1、频率的影响

ω→0 时，此时 不存在极化损 耗,主要由电导损耗引起 。 tgδ=δ/ωε ，则当 ω→0 时， tgδ→∞ 。随着 ω 升高， tgδ↓ 。

随 ω↑ ，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 εr 随 ω↑ 而 ↓ 。 在这一频率范围内，由于 ωτ <<1 ，故 tgδ 随 ω↑ 而 ↑ 。

当ω很高时，ε r →ε ∞，介电常数仅 由位移极化决定，ε r趋于最小值。 由于ωτ >>1，此时tgδ随ω↑而↓。ω→∞时，tgδ→0。

tgδ达最大值时ω m的值由下式求出:

tgδ 的最大值主要由 松弛过程决定 。如果介质电导显著变大，则 tgδ 的最大值变得平坦， 最后在很大的电导下， tgδ 无最大值，主要表现为电导损耗特征： tgδ 与 ω 成反。

2、温度的影响

当 温度很低 时 ,τ 较大，由德拜关系式可知， εr 较小， tgδ 也较小。此时，由于 ω2τ2>>1, 由 德拜 可得：

随温度↑，τ↓，所以ε r、tgδ↑

当温度较高时，τ较小，此时ω 2 τ 2 <<1

随温度↑，τ↓，所以tgδ ↓。这时电导上升并不明显，主要决定于极化过程：

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，ε r ↓。此时电导损耗剧烈↑，tgδ也随温度↑而急剧上升↑。

3. 湿度的影响

• 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。

降低材料的介质损耗的方法

（1）选择合适的主晶相： 尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。

（ 2 ）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。 这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。

(3) 尽量减少玻璃相。 有较多玻璃相时，应采用“中和效应"和“压抑效应"，以降低玻璃相的损耗。 (4 ）防止产生多晶转变 ，多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。

(5 ）注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。

(6) 控制好最终烧结温度 ，使产品“正烧"，防止“生烧"和“过烧"以减少气孔率。此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。