1、整理課件第六章 其它功能特性第一節 介電性能整理課件 在人類對電認識和應用的開始階段，電介質材在人類對電認識和應用的開始階段，電介質材料就問世了。然而，當時的電介質僅作為分隔電流料就問世了。然而，當時的電介質僅作為分隔電流的絕緣材料來應用。為了改進電絕緣材料的性能，的絕緣材料來應用。為了改進電絕緣材料的性能，以適應日益發展的電氣工程和無線電工程的需要，以適應日益發展的電氣工程和無線電工程的需要，圍繞不同的電介質在不同頻率、不同場強的電場作圍繞不同的電介質在不同頻率、不同場強的電場作用下所出現的現象進行科學研究，并總是以絕緣體用下所出現的現象進行科學研究，并總是以絕緣體的介電常數、損耗、電導和擊

2、穿等所謂四大參數為的介電常數、損耗、電導和擊穿等所謂四大參數為其主要內容。其主要內容。 隨著電子技術、激光、紅外、聲學以及其它新隨著電子技術、激光、紅外、聲學以及其它新技術的出現和發展，電介質已遠不是僅作絕緣材料技術的出現和發展，電介質已遠不是僅作絕緣材料來應用了。特別是極性電介質的出現和被廣泛應用來應用了。特別是極性電介質的出現和被廣泛應用、使得人們對電介質的理解及其范疇和過去大不相、使得人們對電介質的理解及其范疇和過去大不相同。同。引言引言整理課件 以絕緣體的四大參數為主要內容也逐步演變為以研究物質內部電極化過程。 固態電介質分布很廣，而且往往具有許多可供利用的性質。例如電致伸縮、壓電性、

3、熱釋電性、鐵電性等，從而引起了廣泛的研究。實際上，這些性質是與晶體的內在結構、其中的束縛原子(或離子)以及束縛電子的運動等都有密切的關系。現在，固態電介質物理與固體物理、晶體光學有著許多交迭的領域。特別是在激光出現以后，研究晶態電介質與激光的相互作用又構成為固態激光光譜學、固態非線性光學。整理課件6.1 介質的極化與損耗介質的極化與損耗6.1.1 介質極化相關物理量介質極化相關物理量電容電容 ：兩個臨近導體加上電壓后存儲：兩個臨近導體加上電壓后存儲電荷能力的量度。是電荷能力的量度。是表征電容器容表征電容器容納電荷的本領的物理量納電荷的本領的物理量 電容的單位是法拉，簡稱法，符號是電容的單位是法

4、拉，簡稱法，符號是F, 毫法毫法(mF)、微法、微法(F)、納法、納法(nF) 和皮和皮法法(pF)整理課件介電常數介電常數1 1）材料因素：）材料因素： 材料在電場中被極化的能力材料在電場中被極化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素： d d 和和A A ：平板間的距離和面積：平板間的距離和面積平行板電容器在真空平行板電容器在真空：在平行板電容器間放置某些材料，會使電容器存儲電荷的能力增加，在平行板電容器間放置某些材料，會使電容器存儲電荷的能力增加，CCCC0 0真空介電常數真空介電常數：0 0 =8.85 =8.851010-12-12 F. m F. m-1-1( (法拉法拉/ /米米)

5、 ) 相對介電常數相對介電常數：r r介電常數（電容率）：介電常數（電容率）： = = 0 0 r r( (F/m)F/m)介電常數是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲電荷能力的物理量。介電常數是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲電荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdACCrr/00整理課件材料頻率范圍/Hz相對介電常數二氧化硅玻璃102-10106.78金剛石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯606.0聚甲基丙烯酸甲酯606.5鈦酸鋇1066000剛玉609整理課件介電材料：介電材料：放在平板電容器中增加電容的材料放在平板電容器中增加

6、電容的材料電介質：電介質：在電場作用下能建立極化的物質。在電場作用下能建立極化的物質。感應電荷（束縛電荷）：感應電荷（束縛電荷）：在真空平板電容器中嵌入在真空平板電容器中嵌入一塊電解質加入外電場時，在整機附近的介質表面一塊電解質加入外電場時，在整機附近的介質表面感應出的負電荷，負極板附件的介質表面感應出的感應出的負電荷，負極板附件的介質表面感應出的正電荷。正電荷。整理課件極化：極化：電介質在電場作用下產生束縛電荷的現象。電介質在電場作用下產生束縛電荷的現象。極化電荷：極化電荷：電介質在外電場的作用下，在和外電場相垂電介質在外電場的作用下，在和外電場相垂直的電介質表面分別出現正、負電荷。這些電荷

7、不能自直的電介質表面分別出現正、負電荷。這些電荷不能自由移動，也不能離開，總保持中性。由移動，也不能離開，總保持中性。整理課件電解質的分類：電解質的分類：極性分子電解質和非極性分子電解極性分子電解質和非極性分子電解質質-分子的正負電荷統計重心是否重合，是否有點分子的正負電荷統計重心是否重合，是否有點偶極子？偶極子？Q：所含電量；：所含電量；l：正負電荷重心距離：正負電荷重心距離電介質在外電場作用下，無極性分子的正負電荷重電介質在外電場作用下，無極性分子的正負電荷重心重合將產生分離，產生電偶極矩。心重合將產生分離，產生電偶極矩。整理課件據分子的電結構，電介質可分為：據分子的電結構，電介質可分為：

8、極性分子電介質：極性分子電介質：H2O;CO（有）（有）非極性分子電介質：非極性分子電介質：CH4;He電極化強度（電極化強度（P P） ：電解質極化程度的量度電解質極化程度的量度（C/mC/m2 2）. .P=/V：電介質中所有電偶極矩的矢量和：電介質中所有電偶極矩的矢量和V： 所有電偶極矩所在空間的體積所有電偶極矩所在空間的體積整理課件6.1.2 6.1.2 極化類型極化類型電子位移極化，離子位移極化，轉向極化電子位移極化，離子位移極化，轉向極化，空間電荷極化，分別對應電子、原子、，空間電荷極化，分別對應電子、原子、分子和空間電荷情況。分子和空間電荷情況。整理課件 位移極化，由電子或離子位

9、位移極化，由電子或離子位移產生電偶極矩而產生的極化。移產生電偶極矩而產生的極化。分為電子位移極化和離子位移極分為電子位移極化和離子位移極化。化。整理課件（1 1）電子位移極化）電子位移極化 材料在外電場的作用下，分子或原子中的正負材料在外電場的作用下，分子或原子中的正負電荷產生相對位移，中性分就變成偶極子。電荷產生相對位移，中性分就變成偶極子。 這種極化可以在光頻下進行，這種極化可以在光頻下進行，1010-15-15s s； 彈性，可逆；彈性，可逆； 與溫度無關；與溫度無關； 產生于所有材料中；產生于所有材料中； 電子極化率的大小與原子電子極化率的大小與原子( (離子離子) )的半徑有關的半徑

10、有關E-+d+-3034Re整理課件（2 2）離子位移極化：）離子位移極化： 外電場作用下，負離子和正離子相對于它們的正常位置發外電場作用下，負離子和正離子相對于它們的正常位置發生生位移位移，形成一個感生偶極矩。，形成一個感生偶極矩。 反應時間為反應時間為1010-13-13S S 可逆可逆; ; 溫度升高，極化增強溫度升高，極化增強； 產生于離子結構電介質中產生于離子結構電介質中離子位移極化率：離子位移極化率：式中：式中：a a為晶格常數；為晶格常數；n n為電子層斥力指數，為電子層斥力指數， 對于離子晶體對于離子晶體n n為為7-117-11 0341naa整理課件（3 3）馳豫極化）馳豫

11、極化 外加電場作用于弱束縛荷電粒子造成，與外加電場作用于弱束縛荷電粒子造成，與帶電質點的熱運動密切相關。熱運動使這些質帶電質點的熱運動密切相關。熱運動使這些質點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時建立了極化狀態。為非可逆過程。建立了極化狀態。為非可逆過程。整理課件電子馳豫極化電子馳豫極化 由于晶格的熱運動，晶格缺陷，雜質引入，由于晶格的熱運動，晶格缺陷，雜質引入，化學成分局部改變等因素，使電子能態發生改變，化學成分局部改變等因素，使電子能態發生改變，導致位于禁帶中的局部能級中出現弱束縛電子，導致位于禁帶中的局部能級中出現弱束縛電子，在熱運動和電場作用下

12、建立相應的極化狀態。在熱運動和電場作用下建立相應的極化狀態。 不可逆；反應時間為不可逆；反應時間為1010-9-91010-2-2S S；產生于；產生于NbNb、BiBi、TiTi為基的氧化物陶瓷中，隨溫度升高變化有為基的氧化物陶瓷中，隨溫度升高變化有極大值。極大值。整理課件離子馳豫極化：離子馳豫極化： 弱聯系離子：在玻璃狀態的物質、結構松弱聯系離子：在玻璃狀態的物質、結構松散的離子晶體、晶體中的雜質或缺陷區域，離子散的離子晶體、晶體中的雜質或缺陷區域，離子自身能量較高，易于活化遷移，這些離子稱為弱自身能量較高，易于活化遷移，這些離子稱為弱聯系離子。由弱聯系離子在電場和熱作用下建立聯系離子。由

13、弱聯系離子在電場和熱作用下建立的極化為離子弛豫極化。的極化為離子弛豫極化。 不可逆；反應時間為不可逆；反應時間為 1010-5-51010-2-2S S；隨溫度隨溫度變化有極大值。變化有極大值。 T Ta a極化率極化率 ；q q為離子荷電量；為離子荷電量； 為弱離子電場作用下的遷移；為弱離子電場作用下的遷移；kTqaT1222整理課件（4 4）轉向極化）轉向極化 存在固有偶極矩，無外電場時，混亂排列，使總極存在固有偶極矩，無外電場時，混亂排列，使總極矩矩=0=0，有外電場作用時，偶極轉向，成定向排列，從，有外電場作用時，偶極轉向，成定向排列，從而產生介質極化。而產生介質極化。 為無外電場時的

14、均方偶極矩。為無外電場時的均方偶極矩。 kTd320整理課件特點：特點：非彈性的，不可逆；非彈性的，不可逆；形成極化時間較長；形成極化時間較長；溫度對介電常數有很大影響。溫度對介電常數有很大影響。整理課件（5) 5) 空間電荷極化空間電荷極化 非均勻介質中，非均勻介質中，正負離子正負離子分別向負、正極移動，產生電分別向負、正極移動，產生電偶極矩，即空間電荷極化，在偶極矩，即空間電荷極化，在電極附近積聚的就是空間電荷。電極附近積聚的就是空間電荷。 在物理阻礙：晶界，相界，在物理阻礙：晶界，相界，自由表面，缺陷等處，自由電自由表面，缺陷等處，自由電荷積聚就可形成空間電荷極化荷積聚就可形成空間電荷極

15、化。在夾層、氣泡處形成的稱為界在夾層、氣泡處形成的稱為界面極化。面極化。 整理課件特點：特點：反應時間很長，幾秒到數十分鐘；反應時間很長，幾秒到數十分鐘；隨溫度升高而減弱；隨溫度升高而減弱；存在于結構不均勻的陶瓷電介質中；存在于結構不均勻的陶瓷電介質中；非彈性極化；非彈性極化；整理課件小結：（1）總的極化強度是上述各種機制作用的總和。（2）材料的組織結構影響極化機制。（3） 外電場的頻率：某種機制都是在不同的時間量級內發生的，只有在某個領域頻率范圍內才有顯著的貢獻。離子、轉向極化原子種類和鍵合類型空間電荷極化面缺陷整理課件 各種極化形式的比較各種極化形式的比較極化形式極化形式極化的電介極化的電

16、介質種類質種類極化的頻率極化的頻率范圍范圍與溫度的關與溫度的關系系能量消耗能量消耗電子位移極電子位移極化化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光光頻頻無關無關無無離子位移極離子位移極化化離子結構離子結構直流直流紅紅外外溫度升高極溫度升高極化增強化增強很弱很弱離子松弛極離子松弛極化化離子不緊密離子不緊密的材料的材料直流直流超超高頻高頻隨溫度變化隨溫度變化有極大值有極大值有有電子位移松電子位移松弛極化弛極化高價金屬氧高價金屬氧化物化物直流直流超超高頻高頻隨溫度變化隨溫度變化有極大值有極大值有有轉向極化轉向極化有機有機直流直流超超高頻高頻隨溫度變化隨溫度變化有極大值有極大值有有空間電荷極空間電荷極化化結構不均勻

17、結構不均勻的材料的材料直流直流高高頻頻隨溫度升高隨溫度升高而減小而減小有有整理課件6.1.3 6.1.3 宏觀極化強度和微觀極化率的關系宏觀極化強度和微觀極化率的關系(1) 有效電場：作用于分子、原子上的有效電場外加電場E0電介質極化形成的退極化場Ed周圍的荷電質點作用形成Ei+ +- -E0EdEi03/PEEloc宏dEEE0宏觀整理課件（2）克勞修斯-莫索堤方程極化強度P可以寫為單位體積電介質在實際電場作用下所有電偶極矩的總和iiNP單位體積第i種偶極子數目第i種偶極子平均偶極矩lociiE荷電質點的平均偶極矩正比于作用于質點上的局部電場局部電場lociiENP第i種偶極子電極化率idl

18、ocEEEE003PEi) 1)(00rdEEPiiirrN03121整理課件iiirrN03121相對介電常相對介電常數數偶極子種偶極子種類類極化率極化率偶極子數偶極子數目目宏觀介電常宏觀介電常數數微觀介電機微觀介電機制制)(3121443322110NNNNirr電子位電子位移極化移極化離子位離子位移極化移極化取向取向極化極化空間電空間電荷極化荷極化 上式表明，研制高介電常數的方向，應選擇大的極化率的離子，同時選擇單位體積內極化質點多的電介質。整理課件損耗的形式損耗的形式 介質損耗的表示方法介質損耗的表示方法 介質損耗和頻率、溫度的關系介質損耗和頻率、溫度的關系 整理課件電導損耗：電導損耗

19、：在電場作用下，介質中會有在電場作用下，介質中會有泄漏電流泄漏電流流過，流過，引起電導損耗。引起電導損耗。 極化損耗：極化損耗：只有緩慢極化過程才會引起只有緩慢極化過程才會引起能量能量損耗，如偶損耗，如偶極子的極化損耗。極子的極化損耗。 游離損耗：游離損耗：氣體間隙中的氣體間隙中的電暈損耗電暈損耗和液、固絕緣體中和液、固絕緣體中局局部放電部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。引起的功率損耗稱為游離損耗。整理課件當容量為當容量為C0= 0A/d的平板電容器上加一交變電壓的平板電容器上加一交變電壓U=U0eiwt。則：則：電容器極板間為真空介質時，電容上的電流為：電容器極板間為真空介質時，電容上的電流

20、為：UCidtdQI00電容器極板間為非極性絕緣材料時，電容上的電流為：電容器極板間為非極性絕緣材料時，電容上的電流為：UCUidtdQIr0整理課件定義復電導率由 Eji定義復介電常數由 Eijii電容項損耗項定義損耗角tg 損耗角正切的倒數Q就表示電介質的品質因數，希望它的值高。整理課件（3 3）頻率的影響）頻率的影響r，tg，p與與的關系的關系整理課件rsm1 在 下，損耗角正切值達最大值，即可得m整理課件（2 2）溫度的影響）溫度的影響r r、tgtg、P P與與T T的關系的關系整理課件 介質吸潮后，介電常數會增加，但比電導的增介質吸潮后，介電常數會增加，但比電導的增加要慢，由于電導

21、損耗增大以及松馳極化損耗加要慢，由于電導損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使增加，而使tgtg增大。增大。 對于極性電介質或多孔材料來說，這種影響特對于極性電介質或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內水分含量從別突出，如，紙內水分含量從4 4增加到增加到1010時，時，其其tgtg可增加可增加100100倍。倍。整理課件(1)(1)無機材料的損耗形式主要有：無機材料的損耗形式主要有： 電離損耗電離損耗 結構損耗結構損耗整理課件電離損耗電離損耗主要發生在含有氣相的材料中。含有主要發生在含有氣相的材料中。含有氣孔的固體介質在外電場強度超過了氣孔內氣氣孔的固體介質在外電場強度超過了氣孔內氣體電離所

22、需要的電場強度時，由于氣體電離而體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。其損耗功吸收能量，造成損耗，即電離損耗。其損耗功率可以用下式近似計算：率可以用下式近似計算：20UUAPwU為外施加電壓；為外施加電壓；U0為氣體的電離電壓為氣體的電離電壓整理課件結構損耗結構損耗是在高頻、低溫下，與介質內部結構是在高頻、低溫下，與介質內部結構的緊密程度密切相關的介質損耗。結構損耗與溫的緊密程度密切相關的介質損耗。結構損耗與溫度的關系很小，損耗功率隨頻率升高而增大，但度的關系很小，損耗功率隨頻率升高而增大，但tgtg則和頻率無關。則和頻率無關。一般材料，在高溫、低頻下，主要為

23、電導損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在低溫、高頻下主要為結構損耗。整理課件v 離子晶體可以分為結構緊密的晶體和結構不離子晶體可以分為結構緊密的晶體和結構不緊密的離子晶體。緊密的離子晶體。v 結構緊密的晶體離子都堆積得十分緊密，排結構緊密的晶體離子都堆積得十分緊密，排列很有規則，離子鍵強度比較大，無極化損列很有規則，離子鍵強度比較大，無極化損耗。耗。v 結構不緊密的離子晶體的內部有較大的空隙結構不緊密的離子晶體的內部有較大的空隙或晶格畸變，含有缺陷或較多的雜質，離子或晶格畸變，含有缺陷或較多的雜質，離子的活動范圍擴大，損耗較大。的活動范圍擴大，損耗較大。整理課件復雜玻璃中的介質損耗主要

24、包括三個部分：復雜玻璃中的介質損耗主要包括三個部分：電導損耗、松弛損耗和結構損耗。電導損耗、松弛損耗和結構損耗。哪一種損耗占優勢，決定于外界因素哪一種損耗占優勢，決定于外界因素溫度和外加電壓的頻率溫度和外加電壓的頻率。 整理課件玻璃的玻璃的tg與溫度的關系與溫度的關系1、結構損耗；、結構損耗； 2、松弛損耗、松弛損耗3、電導損耗；、電導損耗； 4、總、總 損損 耗耗整理課件Na2OK2OB2O3玻璃玻璃的的tg與組成的關系與組成的關系整理課件 主要是電導損耗、松弛質點的極化損耗及結主要是電導損耗、松弛質點的極化損耗及結構損耗。構損耗。 表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面表面氣孔吸附水分、油

25、污及灰塵等造成表面電導也會引起較大的損耗。電導也會引起較大的損耗。 大多數電工陶瓷的離子松弛極化損耗較大，大多數電工陶瓷的離子松弛極化損耗較大，主要原因是：主晶相結構松散，生成了缺陷主要原因是：主晶相結構松散，生成了缺陷固溶體，多晶形轉變等。固溶體，多晶形轉變等。整理課件6.1.6降低材料的介質損耗的方法降低材料的介質損耗的方法選擇合適的主晶相。選擇合適的主晶相。改善主晶相性能時，盡量避免產生缺位固溶改善主晶相性能時，盡量避免產生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續固溶體。體或填隙固溶體，最好形成連續固溶體。盡量減少玻璃相。盡量減少玻璃相。防止產生多晶轉變。防止產生多晶轉變。注意焙燒氣氛。注意

26、焙燒氣氛。控制好最終燒結溫度控制好最終燒結溫度整理課件討論介質損耗的意義討論介質損耗的意義v絕緣結構設計時必須注意到絕緣材料的絕緣結構設計時必須注意到絕緣材料的tg tg v用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的tgtg必須必須很小很小v在絕緣預防性試驗中，在絕緣預防性試驗中，tgtg是一項基本測試項是一項基本測試項目，當絕緣受潮或劣化時，目，當絕緣受潮或劣化時，tgtg急劇上升。急劇上升。v介質損耗引起的發熱有時也可以利用介質損耗引起的發熱有時也可以利用整理課件6.2 介電強度介電強度概述：固體電介質的擊穿就是在電場作用下伴隨著熱固體電介質的擊穿就是在電場作用下伴隨

27、著熱、化學、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現象、化學、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現象。擊穿后在材料中留下有不能恢復的痕跡，如燒。擊穿后在材料中留下有不能恢復的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等焦或溶化的通道、裂縫等 ，去掉外施電壓，去掉外施電壓 ，不能，不能自行恢復絕緣性能。自行恢復絕緣性能。 整理課件擊穿場強擊穿場強電介質所能承受的不被擊穿的最大場強。電介質所能承受的不被擊穿的最大場強。擊穿電壓擊穿電壓電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。電介質（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。電介質的擊穿電介質的擊穿 一般外電場不太強時，電介質只被極化，一般外電場不太強時，電介質只被極化，不影響其絕緣性能

28、。當其處在很強的外電場中時，電介質不影響其絕緣性能。當其處在很強的外電場中時，電介質分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，荷，電介質變為導電材料電介質變為導電材料。當施加在電介質上的電壓增大當施加在電介質上的電壓增大到一定值時，使電介質失去絕緣性的現象稱為到一定值時，使電介質失去絕緣性的現象稱為擊穿擊穿(breakdown)(breakdown)。相應的臨界電場強度稱為介電強度，也稱擊相應的臨界電場強度稱為介電強度，也稱擊穿場強。穿場強。整理課件Al2O3 (0.03mm) 7.0 BaTiO3 (0.02cm，單晶）0.04A

29、l2O3 (0.6mm)1.5 BaTiO3 (0.02cm，多晶）0.12Al2O3 (0.63cm)0.18環氧樹脂160-200云母 (0.002cm)10.1聚苯乙烯160云母 (0.006cm)9.7硅橡膠220 一些電介質的介電強度 單位：106V/cm整理課件整理課件固體電介質擊穿的類型 電擊穿電擊穿 熱擊穿熱擊穿 局部放電擊穿局部放電擊穿 其他擊穿機制（樹枝化擊穿、電其他擊穿機制（樹枝化擊穿、電-機械擊穿機械擊穿、沿面擊穿等）、沿面擊穿等）6.2.2 電介質的擊穿電介質的擊穿 整理課件與氣體和液體電介質相比，固體電介質擊穿有以下幾個特點： 固體介質的擊穿強度比氣體和液體介質高，

30、約比氣體高固體介質的擊穿強度比氣體和液體介質高，約比氣體高兩個數量級，比液體高一個數量級左右；兩個數量級，比液體高一個數量級左右； 固體通常總是在氣體或液體環境媒質中，因此對固體進固體通常總是在氣體或液體環境媒質中，因此對固體進行擊穿試驗時，擊穿往往發生在擊穿強度比較低的氣體行擊穿試驗時，擊穿往往發生在擊穿強度比較低的氣體或液體媒質中，這種現象稱為或液體媒質中，這種現象稱為邊緣效應邊緣效應。（試驗時必須。（試驗時必須盡可能排除）盡可能排除） 固體電介質的擊穿一般是破壞性的，擊穿后在試樣中留固體電介質的擊穿一般是破壞性的，擊穿后在試樣中留下貫穿的孔道、裂紋等不可恢復的傷痕。下貫穿的孔道、裂紋等不

31、可恢復的傷痕。整理課件（1）電擊穿）電擊穿 當施加于電介質上的電場強度或電壓增大到一定程度時，電介質就由介電狀態變為導電狀態，這個過程就是電擊穿電擊穿。 發生擊穿時的電場強度稱為擊穿電場強度擊穿電場強度( (介介電強度）電強度），用Eb表示，此時所加電壓稱為擊穿電擊穿電壓壓，用Ub表示。即： 陶瓷材料的擊穿強度一般在460kV/mm。bbUEd整理課件 電擊穿是指電場直接作用下，介質中載流子電擊穿是指電場直接作用下，介質中載流子迅速增殖造成的擊穿。迅速增殖造成的擊穿。這個過程約在10-7s完成，擊穿是突然發生的。擊穿電場強度較高，約為106107V/cm。 一般認為，電擊穿的發生是由于晶體能帶

32、在強電場作用下發生變化，電子直接由滿帶躍遷到空帶發生電離所致。整理課件 通常，當電場強度升高至接近擊穿強度時，材料中流過的大電流主要是電子型的。 引起導電電子倍增的方式，也即擊穿的機制主要有碰撞電離理論碰撞電離理論和雪崩理論雪崩理論，此外有時也可能發生齊納擊穿（或稱隧道擊穿）。整理課件 當晶體的溫度高于絕對零度時，晶格的微小振動形成格波，其能量量子即聲子，在碰撞電離理論中，碰撞機制一般應考慮電子和聲子的碰撞，同時也應該包括雜質和缺陷對自由電子的散射。若外加電場足夠高，當自由電子在電場中獲得當自由電子在電場中獲得的能量超過失去的能量時，自由電子便可在每次的能量超過失去的能量時，自由電子便可在每次

33、碰撞后積累起能量，最后發生電擊穿。碰撞后積累起能量，最后發生電擊穿。整理課件 雪崩理論是在電場足夠高時，自由電子從電場中獲得能量在每次碰撞后都能產生一個自由電子。因此在n次碰撞后就有2n個自由電子，形成雪崩或倍增效應雪崩或倍增效應。當雪崩或倍增效應貫穿兩電極時，則出現擊穿。整理課件 若電介質中的場強很大，電介質分子的正負電若電介質中的場強很大，電介質分子的正負電荷有可能被拉開而變成可自由移動的電荷。大量荷有可能被拉開而變成可自由移動的電荷。大量自由電荷的產生，使電介質的絕緣性能破壞而成自由電荷的產生，使電介質的絕緣性能破壞而成為導體。為導體。整理課件規律：固體介質的擊穿電場強度往往取決于材料的

34、固體介質的擊穿電場強度往往取決于材料的均均勻性勻性；大部分材料在交變電場下的擊穿強度低于直流大部分材料在交變電場下的擊穿強度低于直流下的擊穿電場強度，下的擊穿電場強度，在高頻下由于局部放電的在高頻下由于局部放電的加劇，使得擊穿電場強度下降得更厲害，并且加劇，使得擊穿電場強度下降得更厲害，并且材料的介電常數越大，擊穿電場強度下降得越材料的介電常數越大，擊穿電場強度下降得越多；多；無機電介質在高頻下的擊穿往往無機電介質在高頻下的擊穿往往具有熱的特征具有熱的特征，發生純粹電擊穿的情況并不多見；，發生純粹電擊穿的情況并不多見；整理課件 在室溫附近，高分子電介質的擊穿電場強在室溫附近，高分子電介質的擊穿

35、電場強度往往比陶瓷等無機材料要大，并且極性度往往比陶瓷等無機材料要大，并且極性大高聚物的擊穿電場強度常常要比非極性大高聚物的擊穿電場強度常常要比非極性的大；的大； 在軟化溫度附近，熱塑性高聚物的擊穿電在軟化溫度附近，熱塑性高聚物的擊穿電場強度急劇下降。場強度急劇下降。整理課件 當固體電介質在電場作用下，由當固體電介質在電場作用下，由電導電導和和介質介質損耗損耗產生的熱量超過試樣通過傳導、對流和輻射產生的熱量超過試樣通過傳導、對流和輻射所能散發的熱量時，試樣中的熱平衡就被破壞，所能散發的熱量時，試樣中的熱平衡就被破壞，試樣溫度不斷上升，最終造成介質試樣溫度不斷上升，最終造成介質永久性的熱破永久性

36、的熱破壞壞，這就是，這就是熱擊穿熱擊穿。 熱擊穿有一個熱量積累過程，不像電擊穿那熱擊穿有一個熱量積累過程，不像電擊穿那樣迅速。熱擊穿電場強度較低，一般約為樣迅速。熱擊穿電場強度較低，一般約為110kV/mm。整理課件 介質中所產生的熱量，一方面使試樣本身的介質中所產生的熱量，一方面使試樣本身的溫度升高，另一方面通過熱傳導和熱對流向周圍溫度升高，另一方面通過熱傳導和熱對流向周圍散發熱量。散發熱量。 在電場作用下，如試樣的發熱功率為在電場作用下，如試樣的發熱功率為W1，散熱功率為散熱功率為W2，臨界熱平衡方程即為：，臨界熱平衡方程即為： 12()()mmW TW T整理課件 （1 1）介質的不均勻性：）介質的不均勻性： 無機材料常常為不均勻介質，有晶相、玻璃相和氣孔存在，這使無機無機材料常常為不均勻介質，有晶相、玻璃相和氣孔存在，這使無機材料的擊穿性質與均勻材料不同。材料的擊穿性質與均勻材料不同。 不均勻介質最簡單的情況是雙層介質。設雙層介質具有各不相同的電性不均勻介質最簡單的情況是雙層介質。設雙層介質具有各不相同的電性質，質， 1 1， 1 1，d d1 1和和 2 2， 2 2，d d2 2 分別代表第一層、第二層的介電常數、電分別代表第一層、第二層的介電常數、電導率、厚度。導率、厚度。 若在此系統上加直流電壓若在此