基本介紹
- 中文名：極化電流
- 外文名：Polarization current
- 別名：吸收電流
- 形成原因：分子極化和電子漂移而形成的
- 影響因素：電壓，材料
- 分類：瞬時位移極化電流和鬆弛極化電流
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簡介
極化電流又稱吸收電流，由於分子極化和電子漂移而形成的電流。它隨施加電壓的時間從相對較高的原始值衰減至接近於零，並取決於絕緣系統所用粘接材料的類型和情況。其中極化是指在外電場的作用下，構成原子外圍的電子云相對原子核發生位移形成的極化。而且建立或消除極化時間極短。
相關概念
極化
根據極化過程的特點，可將電介質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。在直流電場作用下，不同特性的電介質內部將發生其中的一種或幾種極化過程。不同的極化類型具有的特點如下：
（1）電子式極化
在沒有外電場的作用時，原子體系中原子核的正電荷中心和的負電荷中心重合，不具有偶極矩；當加上電場後，電子的運動軌道發生偏移，使得正、負電荷的中心不再重合，即產生偶極矩。這種由電子軌道發生位移所形成的極化叫做電子極化。電子式極化發生在一切電介質中。
電子式極化完成的時間非常短，當電場消失後，由於正、負電荷的相互吸引，使得偶極矩消失而恢復非極性，整個過程不損耗能量，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組成粒子的熱運動，對原子的半徑影響不大。
（2）離子式極化
在離子式結構的電介質中，正、負離子在電場的作用下沿反方向運動從而形成的極化過程稱為離子式極化。固體無機化合物多為離子式結構，如雲母、陶瓷材料等。在交變電場中，電場頻率低於紅外光頻率時，離子式極化便可以進行。離子式極化亦為彈性極化，其建立和消除的過程均不損耗能量。由於離子間距隨溫度變化不大，所以離子式極化雖會隨溫度升高而增加，但增加得不大。
（3）偶極子極化
在極性電介質中，如蓖麻油、油浸紙、橡膠、纖維素等，電介質分子即使在無外加電場時，正、負電荷的重心也不重合，因而形成一個永久的偶極矩。然而由於熱運動，極性分子的偶極矩取向是任意的，整個電介質對外不呈現極性。在外加電場的作用下，每個偶極子都受到電場的作用而轉向，最終與電場方向平行，對外呈現極性，這種極化就稱為偶極子極化或取向極化。
偶極子極化過程較長，因為偶極子轉向過程中要克服分子間的吸引力和摩擦力，極化過程中所消耗的電場能量在復原時不可收回，因此需要消耗能量。另外，溫度對偶極子極化的影響很大。溫度較低時，分子間聯繫緊密，偶極子轉向困難，極化很弱；當溫度升高，極化增強；而當溫度繼續升高時，由於分子熱運動加劇而阻礙偶極子沿電場方向取向。因此偶極子極化強度隨溫度升高呈現先增大再減小的趨勢。
（4）界面極化
在不均勻電介質中，在電場作用下，電介質內部自由電荷移動並在不均勻界面上積聚，使得自由電荷分布不均勻而產生的偶極矩的現象，稱為界面極化。界面極化又稱為空間電荷極化或麥克斯韋-華格納（Maxwell-Wagner）極化。只要複合界面兩邊的電介質介電常數和電導率只比不相同就會發生界面極化現象，這種效應稱為麥克斯韋-華格納效應。界面極化的過程較緩慢，可能持續數小時甚至數天，極化過程伴隨著能量損耗。在較低電壓頻率下，由於界面上產生電荷堆積，將使得等值電容的增大。
電流
科學上把單位時間裡通過導體任一橫截面的電量叫做電流強度，簡稱電流。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，法國物理學家、化學家，在電磁作用方面的研究成就卓著，對數學和物理也有貢獻。電流的國際單位安培即以其姓氏命名），簡稱“安”，符號 “A”，也是指電荷在導體中的定向移動。
電流分類
極化電流應該分為瞬時位移極化電流和鬆弛極化電流。
瞬時位移極化電流
電子位移極化和離子位移極化是“瞬時位移極化”。電子式極化和離子式極化為位移極化，產生的電流為瞬時位移極化。
鬆弛極化電流
偶極子極化和界面極化為鬆弛極化。鬆弛極化建立和消失的時間較長且該過程伴隨能量損耗，常常作為電介質極化過程的研究對象，鬆弛極化損耗與電介質老化相關，因此極化損耗可作為電介質老化的評判依據。
鬆弛極化電流也叫吸收電流。實際介質的電容器和理想電容器不同，緩慢的鬆弛極化形成了滯後於電壓並隨時間衰減的吸收電流，這就是介質的鬆弛現象。吸收電流只有電壓發生變化時才存在，它是介質在交變電場下引起介質損耗的重要來源。
特點
極化電流也是一個隨加壓時間的增長而減少的電流，不過它比電容電流衰減慢的多，可能延續數分鐘，甚至幾小時，這是因為不均勻介質中吸收電流是由緩慢極化和夾層極化產生的。即在直流電壓加上的瞬間，介質上的電壓按電容分布，而電壓穩定後介質上的電壓按電阻分布；由於不同介質的電容與電壓不成比例，因此在加上直流電壓瞬間到穩定這一過程中，介質上電荷要重新分配，重新分配的電荷在迴路中形成吸收電流。吸收電流隨時間衰減的快慢與介質電容量大小有很大關係，在不均勻介質中，這部分電流是比較明顯的。
套用與研究
極化/去極化電流法
（1）極化/去極化電流法用於油紙絕緣的微水擴散暫態過程研究。
通過建立油紙絕緣微水擴散不平衡時的時域極化模型，提出了根據微水擴散達到穩態時的極化/去極化電流特性求解微水擴散不平衡時的極化/去極化電流的方法，並通過試驗驗證該方法的有效性。研究結果表明：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生的極化嚴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/去極化電流減小；微水擴散不平衡時絕緣紙的電導率分布與紙中微水質量分數分布密切相關，可以作為表征紙中微水分布的特徵量。
（2）XLPE電纜老化檢測
隨著交聯聚乙烯（XLPE）電纜運行年限的增加，電纜由於長期處於電場、水分、機械應力等因素的作用，其絕緣逐步發生老化降解，因此需要對 XLPE 電纜的絕緣老化狀態進行評估，防止因絕緣老化造成電力事故的發生。極化/去極化電流（Polarization/depolarization Current，PDC）與 XLPE 電纜絕緣老化密切相關。當 XLPE 電纜絕緣內部存在水樹時，在直流電壓的作用下，由於水樹與 XLPE 交界處的界面極化過程使得PDC 發生變化，因此通過對 PDC 的測量可以反映電纜絕緣內部的水樹老化。
高能離子與新經典撕裂模穩定性研究
1989 年，HegnaChris C 和 Bhattacharjee A 利用漂移動力論方程，研究了高能離子對撕裂模穩定性的影響，他們的研究表明：當高能離子的密度位形峰恰好在有理面外面時，高能離子可以抑制托卡馬克中磁島的生長。2000 年，V.S.Marchenko 和V.V.Lutsenko 利用漂移動力論方程得到了高能離子作用在新經典撕裂模上的環向力矩，然後將該環向力矩的表達式帶入到決定新經典撕裂模演變的方程組中，並進行了數值計算，得到了新經典撕裂模頻率與振幅隨時間的變化關係，該結果與實驗上觀察到的新經典撕裂模頻率與振幅隨時間的變化關係定性的一致，他們指出注入特定的高能中性束可以將新經典撕裂模保持在安全水平 。2011 年，Huishan Cai 等人利用迴旋動力論方程研究了高能離子對撕裂模穩定性的影響，他們的研究表明 ：通行高能離子對撕裂模的影響，取決於高能離子環向通行的方向，並與高能離子的動量緊密相關。
將通行高能離子產生的極化電流與背景離子產生的極化電流進行比較，發現當通行高能離子的數密度足夠大時，前者對新經典撕裂模穩定性的影響將變得不可忽略。最後將該極化電流的解析表達式帶入飽和磁島的色散關係中，得到了考慮高能通行離子時的飽和磁島的閾值寬度，並且發現：v <0的通行高能離子產生的極化電流對新經典撕裂模起穩定作用， v>0 的通行高能離子產生的極化電流對新經典撕裂模起不穩定作用，它們產生的總的極化電流對新經典撕裂模起穩定作用。
