絕緣材料的介電效能 （第三期）
下面一部分，我介紹一下絕緣材料的介電效能，四大引數的一些具體意義，和它們的物理含義。
圖1 電容特性
首先是介電常數，介電常數主要描述的是電容特性，電容主要描述的是電容器能夠儲存電荷量的這樣一種特性。如圖1所示，大家可以看到，右邊是電容器所儲存的自由電荷在外加電場作用下的充電過程，左邊是電容器裡面的電介質在外加電場作用下的極化過程。左邊實際上代表的是束縛電荷的變化過程，而右邊代表的是自由電荷的變化過程。大家可以看到，電容器在電場作用下，它的充電過程，或者說儲存電荷量的過程裡面，是由束縛電荷在外加電場作用下面的介電行為所引起的。
圖2 平板電容器
介電常數的含義，我們可以透過兩種方法來進行描述。如圖2所示，第一種方法就是圖2中左邊這個圖描述的，是一個平板電容器系統，如果是處於真空狀態的話，我們先給它充電，充完電以後極板上就會有自由電荷，面密度為
s
0，這個時候我們把電源給它去掉，那麼由於平板上的自由電荷
s
0是存在的，所以會在裡面產生一個電場
E
。在這種情況下，我們把電介質放到了平板電容器的內部，用它來代替真空。由於電介質在電場作用下會產生極化，它的表面會產生與鄰近的電極極板極性相反的束縛電荷，束縛電荷產生的電場也和原來的電場方向是相反的。這樣就會產生一個電場強度下降的結果。所以在這種情況下面，介電常數就可以描述成介質內部電場強度下降的倍數。
第二種方法我們用它來描述的時候，就是平板之間的電場強度是保持不變的。 我們確定了一個電容器的體系，加上了一個外加電場。如果電容器的兩個極板的距離保持不變，外加電壓保持不變，那麼這裡面的電場強度應該是保持不變的。所以這個時候我們用電介質來代替真空的話，實際上這個時候電容量就會增加，增加的原因是電介質在外加電場作用下面會產生極化，極化以後會產生一個相反的電場。電極極板距離是不變的，那麼這個時候只能透過電源給極板提供更多的自由電荷來使內部的場強保持不變，所以這個時候由於自由電荷量的增加，整個的電容就會增加。所以介電常數就可以描述成為是電容量增加的倍數。
介電常數的特點就是在電場強度不大的時候，和電場強度實際上是沒有什麼關係的，隨溫度的變化也不太大。而且一般工程裡面應用的相對介電常數是一個無量綱的值，
ε
r大於等於1。它描述的就是一個電容器，充以某種電介質或者絕緣材料的時候，它的電容量和真空電容量的比值，那麼要乘以一個係數
ε
0才是它的絕對介電常數。介電常數在工程設計裡面用的是很多的，首先，我們的交流系統中的電場強度分佈，大家都知道是取決於介電常數分佈的。所以介電常數的設計，以及它在整個絕緣結構、絕緣測試裡面的意義都是非常重要的。在工程實際中，我們希望電容器的絕緣材料的
ε
r能夠大一些，這樣的話保證它能夠儲存更多的能量。而在電纜絕緣中，又希望材料的
ε
r能夠小一點，這些都是為了提高整體效能和絕緣系統的穩定性。
圖3 非極性電介質極化
電常數實際上反映的是束縛電荷在外加電場作用下面的響應機制。如圖3所示，是非極性電介質極化。非極性電介質正負電荷中心是重合在一起的。如果加上外加電場以後，這兩個正負電荷中心就分離開了。但是分開是有一定限制的，不可能無限制的分離開，所以稱之為是一個束縛電荷的狀態。如果我們從左右兩個表面來看的話，這兩個表面就會出現束縛電荷的面密度，右邊出現正電荷，左邊出現負電荷，且這兩個正負電荷的量應該是相等的。
圖4 極性電介質極化
圖4中這兩幅圖描述的是極性電介質極化的情況。對極性電介質來說，在沒有外加電場的時候，它的正負電荷之間也是有一個小小的位移，是分開的。但是由於它的方向不一致，所以整體是不顯示極化的特性。在外加電場以後，它的整體的正負電荷沿著電場取向，表現出極化的特性。所以左邊看到的是負電荷，右邊看到的是正電荷。
（本文整理自鮮椒微電氣直播平臺李建英教授同名線上分享，特此說明）
作者簡介：李建英，西安交通大學電氣學院教授、教育部新世紀優秀人才、西安交通大學“騰飛人才計劃”特聘教授、中國電工技術學會工程電介質專委會副秘書長，IEEE Senior member，英文期刊High Voltage編委。1989年考入西安交大，1999年獲得博士學位。2001-2002年赴英國南安普敦大學訪問研究。長期承擔國家精品課程“電介質物理學”的教學工作。從事工程電介質理論及其應用、電氣絕緣技術、絕緣材料的研究，完成多項國家自然科學基金、霍英東基金等專案。多次在國際會議做特邀報告，在Appl。 Phys。 Lett。、IEEE TDEI等學術刊物上發表SCI收錄論文40餘篇，出版專著/手冊1部，獲授權國家發明專利8項，獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎2項。
