介質損耗

介質損耗：絕緣材料在電場作用下，由於介質電導和介質極化的滯後效應，在其內部引起的能量損耗。也叫介質損失，簡稱介損。在交變電場作用下，電介質內流過的電流相量和電壓相量之間的夾角（功率因數角Φ）的餘角δ稱為介質損耗角。

基本介紹

• 中文名：介質損耗
• 外文名：Dielectric loss
• 簡稱：介損
• 形式：漏導損耗，電離損耗等
• 危害：介質的過熱使得絕緣破壞
• 表征：以介質損耗率表征

概念

電介質在外電場作用下，其內部會有發熱現象，這說明有部分電能已轉化為熱能耗散掉，電介質在電場作用下，在單位時間內因發熱而消耗的能量稱為電介質的損耗功率，或簡稱介質損耗（diclectric loss）。介質損耗是套用於交流電場中電介質的重要品質指標之一。介質損耗不但消耗了電能，而且使元件發熱影響其正常工作。如果介電損耗較大，甚至會引起介質的過熱而絕緣破壞，所以從這種意義上講，介質損耗越小越好。

形式

各種不同形式的損耗是綜合起作用的。由於介質損耗的原因是多方面的，所以介質損耗的形式也是多種多樣的。介電損耗主要有以下形式：

1）漏導損耗

漏導損耗又稱電導損耗。實際使用中的絕緣材料都不是完善的理想的電介質，在外電場的作用下，總有一些帶電粒子會發生移動而引起微弱的電流，這種微小電流稱為漏導電流，漏導電流流經介質時使介質發熱而損耗了電能。這種因電導而引起的介質損耗稱為“漏導損耗”。由於實際的電介質總存在一些缺陷，或多或少存在一些帶電粒子或空位，因此介質不論在直流電場或交變電場作用下都會發生漏導損耗。

2）極化損耗

在介質發生緩慢極化時（鬆弛極化、空間電荷極化等），帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運動而引起的能量損耗。
一些介質在電場極化時也會產生損耗，這種損耗一般稱極化損耗。位移極化從建立極化到其穩定所需時間很短（約為10^-16～10^-12s），這在無線電頻率（5×10¹²Hz 以下）範圍均可認為是極短的，因此基本上不消耗能量。其他緩慢極化（例如鬆弛極化、空間電荷極化等）在外電場作用下，需經過較長時間（10^-10s或更長）才達到穩定狀態，因此會引起能量的損耗。

若外加頻率較低，介質中所有的極化都能完全跟上外電場變化，則不產生極化損耗。若外加頻率較高時，介質中的極化跟不上外電場變化，於是產生極化損耗。

3）電離損耗
電離損耗（又稱游離損耗）是由氣體引起的，含有氣孔的固體介質在外加電場強度超過氣孔氣體電離所需要的電場強度時，由於氣體的電離吸收能量而造成指耗，這種損耗稱為電離損耗。
4）結構損耗

在高頻電場和低溫下，有一類與介質內鄰結構的緊密度密切相關的介質損耗稱為結構損耗。這類損耗與溫度關係不大，耗功隨頻率升高而增大。

試驗表明結構緊密的晶體成玻璃體的結構損耗都很小，但是當某此原因（如雜質的摻入、試樣經淬火急冷的熱處理等）使它的內部結構鬆散後。其結構耗就會大大升高。

5）巨觀結構不均勾性的介質損耗

工程介質材料大多數是不均勻介質。例如陶瓷材料就是如此，它通常包含有晶相、玻璃相和氣相，各相在介質中是統計分布口。由於各相的介電性不同，有可能在兩相間積聚了較多的自由電荷使介質的電場分布不均勻，造成局部有較高的電場強度而引起了較高的損耗。但作為電介質整體來看，整個電介質的介質損耗必然介於損耗最大的一相和損耗最小的一相之間。

表征

電介質在恆定電場作用下，介質損耗的功率為
W=U²/R=（Ed）²S/ρd=σE²Sd

定義單位體積的介質損耗為介質損耗率為

ω=σE²

在交變電場作用下，電位移D與電場強度E均變為複數矢量，此時介電常數也變成複數，其虛部就表示了電介質中能量損耗的大小。

D，E，J之間的相位關係圖

如圖所示，從電路觀點來看，電介質中的電流密度為

J=dD/dt=d（εE）/dt=J_τ+iJ_e

式中J_τ與E同相位。稱為有功電流密度，導致能量損耗；J_e，相比較E超前90°，稱為無功電流密度。

定義

tanδ=J_τ/J_e=ε〞/εˊ

式中，δ稱為損耗角，tanδ稱為損耗角正切值。

損耗角正切表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小，是電介質作為絕緣材料使用時的重要評價參數。為了減少介質損耗，希望材料具有較小的介電常數和更小的損耗角正切。損耗因素的倒數Q=（tanδ）^-1在高頻絕緣套用條件下稱為電介質的品質因素，希望它的值要高。

工程材料

離子晶體的損耗

離子晶體的介質損耗與其結構的緊密程度有關。

緊密結構的晶體離子都排列很有規則，鍵強度比較大，如α-Al₂O₃、鎂橄欖石晶體等，在外電場作用下很難發生離子鬆弛極化，只有電子式和離子式的位移極化，所以無極化損耗，僅有的一點損耗是由漏導引起的（包括本質電導和少量雜質引起的雜質電導）。這類晶體的介質損耗功率與頻率無關，損耗角正切隨頻率的升高而降低。因此，以這類晶體為主晶相的陶瓷往往用在高頻場合。如剛玉瓷、滑石瓷、金紅石瓷、鎂橄欖石瓷等

結構鬆散的離子晶體，如莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）、董青石（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）等，其內部有較大的空隙或晶格畸變，含有缺陷和較多的雜質，離子的活動範圍擴大。在外電場作用下，晶體中的弱聯繫離子有可能貫穿電極運動，產生電導打耗。弱聯繫離子也可能在一定範圍內來回運動，形成熱離子鬆弛，出現極化損耗。所以這類晶體的介質損耗較大，由這類品體作主晶相的陶瓷材料不適用於高頻，只能套用於低頻場合。

玻璃的損耗

複雜玻璃中的介質損耗主要包括三個部分：電導耗、鬆弛損耗和結構損耗。哪一種損耗占優勢，取決於外界因素溫度和電場頻率。高頻和高溫下，電導損耗占優勢：在高頻下，主要的是由弱聯繫離子在有限範圍內移動造成的鬆弛損耗：在高頻和低溫下，主要是結構損耗，其損耗機理目前還不清楚，可能與結構的緊密程度有關。般來說，簡單玻璃的損耗是很小的，這是因為簡單玻璃中的“分子”接近規則的排列，結構緊密，沒有弱聯繫的鬆弛離子。在純玻璃中加人鹼金屬化物後。介質損耗大大增加，並且隨著加人量的增大按指數規律增大。這是因為鹼性氧化物進人玻璃的點陣結構後，使離子所在處點陣受到破壞，結構變得鬆散，離子活動性增大，造成電導損耗和鬆弛損耗增加。

陶瓷材料的損耗

陶瓷材料的介質損耗主要來源於電導損耗、鬆弛質點的極化損耗和結構損耗。此外，表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成的表面電導也會引起較大的損耗。

在結構緊密的陶瓷中，介質損耗主要來源於玻璃相。為了改善某些陶瓷的工藝性能，往往在配方中引人此易熔物質（如黏土），形成玻璃相，這樣就使損耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷隨黏土含量增大，介質損耗也增大。因面一般高頻瓷，如氧化鋁瓷、金紅石等很少含有玻璃相。大多數電陶瓷的離子鬆弛極化損耗較大，主要的原因是：主晶相結構鬆散，生成了缺固濟體、多品型轉變等。

高分子材料的損耗

高分子聚合物電介質按單體單元偶極矩的大小可分為極性和非極性兩類。一般地，偶極矩在0~0.5D（德拜）範圍內的是非極性高聚物；偶極矩在0.5D以上的是極性高聚物。非極性高聚物具有較低的介電常數和介質損耗，其介電常數約為2，介質損耗小於10^-4；極性高聚物則具有較高的介電常數和介質損耗，並且極性愈大，這兩個值愈高。

高聚物的交聯通常能阻礙極性基團的取向，因此熱固性高聚物的介電常數和介質損耗均隨交聯度的提高而下降。酚醛樹脂就是典型的例子，雖然這種高聚物的極性很強，但只要固化比較完全，它的介質損耗就不高。相反，支化使分子鏈間作用力減弱，分子鏈活動能力增強，介電常數和介質損耗均增大。

高聚物的凝聚態結構及力學狀態對介電性景響也很大。結品能抑制鏈段上偶極矩的取向極化，因此高聚物的介質損耗隨結晶度升高而下降。當高聚物結晶度大於70%時，鏈段上的偶極的極化有時完全被抑制，介電性能可降至最低值，同樣的道理，非晶態高聚物在玻璃態下比在高彈態下具有更低的介質損耗。此外，高聚物中的增塑利、雜質等對介電性能也有很大景響。