極化電流原理

極化電流極化

根據(jù)極化過(guò)程的特點(diǎn)，可將電介質(zhì)極化分為電子式極化、離子式極化、偶極子極化和界面極化四類。在直流電場(chǎng)作用下，不同特性的電介質(zhì)內(nèi)部將發(fā)生其中的一種或幾種極化過(guò)程。不同的極化類型具有的特點(diǎn)如下：

（1）電子式極化

在沒(méi)有外電場(chǎng)的作用時(shí)，原子體系中原子核的正電荷中心和的負(fù)電荷中心重合，不具有偶極矩；當(dāng)加上電場(chǎng)后，電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏移，使得正、負(fù)電荷的中心不再重合，即產(chǎn)生偶極矩。這種由電子軌道發(fā)生位移所形成的極化叫做電子極化。電子式極化發(fā)生在一切電介質(zhì)中。

電子式極化完成的時(shí)間非常短，當(dāng)電場(chǎng)消失后，由于正、負(fù)電荷的相互吸引，使得偶極矩消失而恢復(fù)非極性，整個(gè)過(guò)程不損耗能量，即電子式極化是彈性的。另外，電子式極化幾乎不受溫度變化的影響，溫度的改變只影響電介質(zhì)組成粒子的熱運(yùn)動(dòng)，對(duì)原子的半徑影響不大。

（2）離子式極化

在離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，正、負(fù)離子在電場(chǎng)的作用下沿反方向運(yùn)動(dòng)從而形成的極化過(guò)程稱為離子式極化。固體無(wú)機(jī)化合物多為離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷材料等。在交變電場(chǎng)中，電場(chǎng)頻率低于紅外光頻率時(shí)，離子式極化便可以進(jìn)行。離子式極化亦為彈性極化，其建立和消除的過(guò)程均不損耗能量。由于離子間距隨溫度變化不大，所以離子式極化雖會(huì)隨溫度升高而增加，但增加得不大。

（3）偶極子極化

在極性電介質(zhì)中，如蓖麻油、油浸紙、橡膠、纖維素等，電介質(zhì)分子即使在無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，正、負(fù)電荷的重心也不重合，因而形成一個(gè)永久的偶極矩。然而由于熱運(yùn)動(dòng)，極性分子的偶極矩取向是任意的，整個(gè)電介質(zhì)對(duì)外不呈現(xiàn)極性。在外加電場(chǎng)的作用下，每個(gè)偶極子都受到電場(chǎng)的作用而轉(zhuǎn)向，最終與電場(chǎng)方向平行，對(duì)外呈現(xiàn)極性，這種極化就稱為偶極子極化或取向極化。

偶極子極化過(guò)程較長(zhǎng)，因?yàn)榕紭O子轉(zhuǎn)向過(guò)程中要克服分子間的吸引力和摩擦力，極化過(guò)程中所消耗的電場(chǎng)能量在復(fù)原時(shí)不可收回，因此需要消耗能量。另外，溫度對(duì)偶極子極化的影響很大。溫度較低時(shí)，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)向困難，極化很弱；當(dāng)溫度升高，極化增強(qiáng)；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)加劇而阻礙偶極子沿電場(chǎng)方向取向。因此偶極子極化強(qiáng)度隨溫度升高呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。

（4）界面極化

在不均勻電介質(zhì)中，在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部自由電荷移動(dòng)并在不均勻界面上積聚，使得自由電荷分布不均勻而產(chǎn)生的偶極矩的現(xiàn)象，稱為界面極化。界面極化又稱為空間電荷極化或麥克斯韋-瓦格納（Maxwell-Wagner）極化。只要復(fù)合界面兩邊的電介質(zhì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率只比不相同就會(huì)發(fā)生界面極化現(xiàn)象，這種效應(yīng)稱為麥克斯韋-瓦格納效應(yīng)。界面極化的過(guò)程較緩慢，可能持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，極化過(guò)程伴隨著能量損耗。在較低電壓頻率下，由于界面上產(chǎn)生電荷堆積，將使得等值電容的增大。

極化電流電流

科學(xué)上把單位時(shí)間里通過(guò)導(dǎo)體任一橫截面的電量叫做電流強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱電流。通常用字母 I表示，它的單位是安培（安德烈·瑪麗·安培），1775年—1836年，法國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，在電磁作用方面的研究成就卓著，對(duì)數(shù)學(xué)和物理也有貢獻(xiàn)。電流的國(guó)際單位安培即以其姓氏命名），簡(jiǎn)稱“安”，符號(hào) “A”，也是指電荷在導(dǎo)體中的定向移動(dòng)。

極化電流又稱吸收電流，由于分子極化和電子漂移而形成的電流。它隨施加電壓的時(shí)間從相對(duì)較高的原始值衰減至接近于零，并取決于絕緣系統(tǒng)所用粘接材料的類型和情況。其中極化是指在外電場(chǎng)的作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)原子核發(fā)生位移形成的極化。而且建立或消除極化時(shí)間極短。

極化電流應(yīng)該分為瞬時(shí)位移極化電流和松弛極化電流。

瞬時(shí)位移極化電流

電子位移極化和離子位移極化是“瞬時(shí)位移極化”。電子式極化和離子式極化為位移極化，產(chǎn)生的電流為瞬時(shí)位移極化。

松弛極化電流

偶極子極化和界面極化為松弛極化。松弛極化建立和消失的時(shí)間較長(zhǎng)且該過(guò)程伴隨能量損耗，常常作為電介質(zhì)極化過(guò)程的研究對(duì)象，松弛極化損耗與電介質(zhì)老化相關(guān)，因此極化損耗可作為電介質(zhì)老化的評(píng)判依據(jù)。

松弛極化電流也叫吸收電流。實(shí)際介質(zhì)的電容器和理想電容器不同，緩慢的松弛極化形成了滯后于電壓并隨時(shí)間衰減的吸收電流，這就是介質(zhì)的松弛現(xiàn)象。吸收電流只有電壓發(fā)生變化時(shí)才存在，它是介質(zhì)在交變電場(chǎng)下引起介質(zhì)損耗的重要來(lái)源。

極化電流也是一個(gè)隨加壓時(shí)間的增長(zhǎng)而減少的電流，不過(guò)它比電容電流衰減慢的多，可能延續(xù)數(shù)分鐘，甚至幾小時(shí)，這是因?yàn)椴痪鶆蚪橘|(zhì)中吸收電流是由緩慢極化和夾層極化產(chǎn)生的。即在直流電壓加上的瞬間，介質(zhì)上的電壓按電容分布，而電壓穩(wěn)定后介質(zhì)上的電壓按電阻分布；由于不同介質(zhì)的電容與電壓不成比例，因此在加上直流電壓瞬間到穩(wěn)定這一過(guò)程中，介質(zhì)上電荷要重新分配，重新分配的電荷在回路中形成吸收電流。吸收電流隨時(shí)間衰減的快慢與介質(zhì)電容量大小有很大關(guān)系，在不均勻介質(zhì)中，這部分電流是比較明顯的。

極化/去極化電流法

（1）極化/去極化電流法用于油紙絕緣的微水?dāng)U散暫態(tài)過(guò)程研究。

通過(guò)建立油紙絕緣微水?dāng)U散不平衡時(shí)的時(shí)域極化模型，提出了根據(jù)微水?dāng)U散達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的極化/去極化電流特性求解微水?dāng)U散不平衡時(shí)的極化/去極化電流的方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性。研究結(jié)果表明：隨著水分含量的增加，油紙絕緣的極化/去極化電流增大，紙中微水分布的不均勻性產(chǎn)生的極化嚴(yán)重影響了油紙絕緣的極化/去極化電流特性，自由電荷遷移和界面極化建立變得困難和緩慢，極化/去極化電流減?。晃⑺?dāng)U散不平衡時(shí)絕緣紙的電導(dǎo)率分布與紙中微水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布密切相關(guān)，可以作為表征紙中微水分布的特征量。

（2）XLPE電纜老化檢測(cè)

隨著交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜運(yùn)行年限的增加，電纜由于長(zhǎng)期處于電場(chǎng)、水分、機(jī)械應(yīng)力等因素的作用，其絕緣逐步發(fā)生老化降解，因此需要對(duì) XLPE 電纜的絕緣老化狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，防止因絕緣老化造成電力事故的發(fā)生。極化/去極化電流（Polarization/depolarization Current，PDC）與 XLPE 電纜絕緣老化密切相關(guān)。當(dāng) XLPE 電纜絕緣內(nèi)部存在水樹時(shí)，在直流電壓的作用下，由于水樹與 XLPE 交界處的界面極化過(guò)程使得PDC 發(fā)生變化，因此通過(guò)對(duì) PDC 的測(cè)量可以反映電纜絕緣內(nèi)部的水樹老化。

高能離子與新經(jīng)典撕裂模穩(wěn)定性研究

1989 年，HegnaChris C 和 Bhattacharjee A 利用漂移動(dòng)力論方程，研究了高能離子對(duì)撕裂模穩(wěn)定性的影響，他們的研究表明：當(dāng)高能離子的密度位形峰恰好在有理面外面時(shí)，高能離子可以抑制托卡馬克中磁島的生長(zhǎng)。2000 年，V.S.Marchenko 和V.V.Lutsenko 利用漂移動(dòng)力論方程得到了高能離子作用在新經(jīng)典撕裂模上的環(huán)向力矩，然后將該環(huán)向力矩的表達(dá)式帶入到?jīng)Q定新經(jīng)典撕裂模演變的方程組中，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了新經(jīng)典撕裂模頻率與振幅隨時(shí)間的變化關(guān)系，該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)上觀察到的新經(jīng)典撕裂模頻率與振幅隨時(shí)間的變化關(guān)系定性的一致，他們指出注入特定的高能中性束可以將新經(jīng)典撕裂模保持在安全水平 。2011 年，Huishan Cai 等人利用回旋動(dòng)力論方程研究了高能離子對(duì)撕裂模穩(wěn)定性的影響，他們的研究表明 ：通行高能離子對(duì)撕裂模的影響，取決于高能離子環(huán)向通行的方向，并與高能離子的動(dòng)量緊密相關(guān)。

將通行高能離子產(chǎn)生的極化電流與背景離子產(chǎn)生的極化電流進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通行高能離子的數(shù)密度足夠大時(shí)，前者對(duì)新經(jīng)典撕裂模穩(wěn)定性的影響將變得不可忽略。最后將該極化電流的解析表達(dá)式帶入飽和磁島的色散關(guān)系中，得到了考慮高能通行離子時(shí)的飽和磁島的閾值寬度，并且發(fā)現(xiàn)：v <0的通行高能離子產(chǎn)生的極化電流對(duì)新經(jīng)典撕裂模起穩(wěn)定作用， v>0 的通行高能離子產(chǎn)生的極化電流對(duì)新經(jīng)典撕裂模起不穩(wěn)定作用，它們產(chǎn)生的總的極化電流對(duì)新經(jīng)典撕裂模起穩(wěn)定作用。

《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021規(guī)定如下：

極化電流密度 腐蝕等級(jí)

<0.02 微

0.02~0.05 弱

0.05~0.20 中

>0.20 強(qiáng)2100433B

當(dāng)有電流通過(guò)電極時(shí)，因離子擴(kuò)散的遲緩性而導(dǎo)致電極表面附近離子濃度與本體溶液中不同，從而使電極電勢(shì)與j_r 發(fā)生偏離的現(xiàn)象，稱為“濃差極化”。電極發(fā)生濃差極化時(shí)，陰極電勢(shì)總是變得比j_r低，而陽(yáng)極電勢(shì)總是變得比j_r高。因濃差極化而造成的電極電勢(shì) j_I與j_r之差的絕對(duì)值，稱為“濃差過(guò)電勢(shì)”。濃差過(guò)電勢(shì)的大小是電極濃差極化程度的量度。其值取決于電極表面離子濃度與本體溶液中離子濃度差值之大小。因此，凡能影響這一濃差大小的因素，皆能影響濃差過(guò)電勢(shì)的數(shù)值。例如，需要減小濃差過(guò)電勢(shì)時(shí)，可將溶液強(qiáng)烈攪拌或升高溫度，以加快離子的擴(kuò)散；而需要造成濃差過(guò)電勢(shì)時(shí)，則應(yīng)避免對(duì)于溶液的擾動(dòng)并保持不太高的溫度。

離子擴(kuò)散的速率與離子的種類以及離子的濃度密切相關(guān)。因此，在同等條件下，不同離子的濃差極化程度不同；同一種離子在不同濃度時(shí)的濃差極化程度亦不同。極譜分析就是基于這一原理而建立起來(lái)的一種電化學(xué)分析方法，可用于對(duì)溶液中的多種金屬離子進(jìn)行定性和定量分析 。

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強(qiáng)度P這一物理量來(lái)表征電介質(zhì)的極化特性。極化強(qiáng)度是一個(gè)矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強(qiáng)度。