核心理念:
电介质、极化、电导率和损耗、电桥击穿、电击穿、热击穿、电化学击穿、老化、累积效应、空间电荷、油纸绝缘、电介质中的电场。
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1 电介质的基本概念
具有非导电电子绝缘体物理特性并且可以在电场中极化的固体、液体和气体统称为电介质。 作为材料,电介质与导体、半导体和磁性材料一起在电气和电子学科中发挥着重要作用。 电介质不仅包括绝缘材料,还包括各种功能材料,如压电、热释电、光电和铁电材料。 在工程中,高绝缘电阻作为电介质的主要特性,被广泛应用于电绝缘材料领域,高介电常数主要应用于储能领域。 因此,电介质的知识主要包括电介质的基本理论、绝缘材料、绝缘测试、绝缘设计和结构、工艺问题等。
物质的性质与其微观结构直接相关,为了掌握电场中电介质的现象和性质,有必要了解它们的微观结构。
2 形成分子和聚集态的各种键
分子由原子或离子组成;气体、液体和固体三种聚集态由原子、离子或分子组成。 键代表粒子之间的键模式,分子的性质和三种聚集态与键的形式密切相关。 分子中相邻原子之间的结合力称为化学键,化学键有两种类型:离子键和共价键。 分子之间的结合力称为分子键。 从介电的角度来看,分别讨论了每种键的性质。
(1) 离子键
当电负性差异较大的原子相遇时,电子在原子之间转移,电负性较小的原子失去电子并成为正离子,而电负性较大的原子获得电子并成为负离子。 正离子和负离子通过静电库仑力结合成分子,这就是离子键。 离子键的键能非常高,许多正负离子通过离子键结合形成离子固体,如NaCl晶体。 大多数无机介质都是通过离子键键合的,如玻璃、云母等。 排列不规则的称为无定形体,排列规则的称为晶体。
(2) 共价键
两个或几个电负性相等或很小的原子通过共同的电子对结合,形成稳定的电子壳层结构,称为共价键。 共价键分为非极性键和极性键。
非极性键的电子对称分布,分子的正负电荷中心重合。 非极性键构成非极性分子,如H2、CCl4CH4等。 极性键的电子分布是不对称的,分子的正负电荷中心不重合。 有机介质是由共价键形成的,一些无机晶体如金刚石也是共价键。
(3)分子键
分子通过相互吸引的力结合在一起,称为分子键。
3 电介质的分类
电介质根据其化学结构可分为 3 类。
(1) 非极性和弱极性电介质
分子是共价键合的,由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质,如氮气、聚四氟乙烯等。 由于存在分子异构或支化,一些电介质具有一定的极性,这被称为弱极性电介质,例如聚苯乙烯。
(2) 极性电介质
极性电介质是由极性分子组成的电介质,如聚氯乙烯、有机玻璃、蓖麻油、电木、纤维素等。
(3) 离子电介质
离子电介质仅以固体形式存在,它们没有单个分子,通常分为两类:晶体和非晶体。 晶体排列规则,强度、硬度、熔点均较高;无定形体的排列不规则,弹性和塑性好。 云母是一种晶体结构;石英是一种无定形结构;电瓷的结构既有晶体,也有无定形体。
通常,无机材料通过离子键键合;有机材料通过分子键键合,分子内部通过共价键键合。