（一）极化和电介质的概念及介电系数
如图1.1所示为两个结构尺寸完全相同的平板电容器。图1.1 （ a）中的电容器极板间为真空，在极板上施加直流电压U后，两极板上分别充有电荷量Q=Q0的正、负电荷。
因此对于图1.1 （a）有
Q0 = C0U
（1-1）
（1-2）
式中 ε0——真空的介电常数；
A——电容极板的面积；
d——极间距离；
C0——极板间为真空时的电容量。
图1.1 电介质的极化
图1.1 （b）是在图1.1（a）所示电容器中的极板间放入一块厚度与极间距离相等的物质构成的电容器。物质被放入极板间就要受到电场的作用，其原子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生位移而向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而不能成为自由电荷。这种仍保持在物质结构中的电荷称为束缚电荷。
这种物质中的带电质点在电场作用下沿电场方向产生有限位移的现象称为极化，具有极化性质的物质称为电介质。
由于靠近极板的电介质两表面出现了束缚电荷，电介质靠近极板的两表面呈现出与极板上电荷相反的电极性，即靠近正极板的电介质表面出现负束缚电荷而呈现负的电极性；靠近负极板的电介质表面出现正束缚电荷而呈现正的电极性。
根据异极性电荷相吸的规律，在介质中束缚电荷的作用下，电容器就要从电源再吸取等量异极性电荷Q′到两极板上，使每个极板上电荷量变为Q=Q′ +Q0。
对于图1.1（b）有
Q =CU
（1-3）
（1-4）
式中 ε——固体电介质的介电常数；
C——极板间有介质时的电容量。
比较式（1-1）与式（1-3）会发现： 由于Q=Q′+Q0＞Q0，U不变，得到C＞C0，则说明电介质极化的作用使电容量发生了变化。
平板电容器中放入不同的电介质时电容量C的变化不同，极板上的电荷量Q也不同，说明不同电介质具有不同的极化能力，因此C/C0就表征了不同介质的极化能力的不同，即
（1-5）
εr是表征电介质在电场作用下极化能力的物理量，称为电介质的相对介电系数，简称介电系数。其物理意义是电容极板间放入电介质后的电容量相对于极板间为真空时的电容量的倍数（或极板上的电荷量的倍数）。
εr值由电介质的材料所决定。常用的固体、液体介质的εr大多为2～5。气体分子间的间距很大，密度很小，因此各种气体的εr均接近于1。不同电介质的εr值随温度、电源频率的变化规律一般是不同的。在工频电压下温度为20 ℃时，一些常用电介质εr值如表1.1所示。
表1.1 常用电介质的介电系数εr和电导率γ
（二）极化的基本形式
由于电介质分子结构的不同，极化过程所表现的形式也不同，极化的基本形式有以下四种。
1.电子式极化
如图1.2所示为电子式极化示意图，其中图1.2 （ a）是外电场E=0时的极化前电介质的中性原子（假设只有一个电子）；图1.2 （b）为外电场E≠0而极化后的原子，其电子的运动轨道发生了变形，负电荷的作用中心（椭圆的中心）与正电荷的作用中心不再重合。这种由电子位移所形成的极化就称为电子式极化。
图1.2 电子式极化示意图
这种极化的特点为：
（1）极化所需的时间极短，为10-15 ～10-14 s。这是由于电子质量极小的缘故。因此这种极化在各种频率的外电场作用下均能产生，也就是说εr值不随频率的改变而变化。
（2）极化时没有能量损耗。这种极化具有弹性，即在外电场消失后，正、负电荷由于相互吸引而自动恢复到原来的状态，所以极化过程中无能量损耗。
（3）温度对极化的影响极小。
2.离子式极化
固体无机化合物（如云母、玻璃、陶瓷等）的分子结构多数属于离子式结构，其分子由正、负离子构成。在无外电场作用时，每个分子中正离子的作用中心（将所有正离子集中于此点时作用效果相同的点）与负离子的作用中心是重合的，故每个分子不呈现电的极性，如图1.3 （ a）所示。在外电场E作用下，正、负离子产生有限的位移，使两者的作用中心不再重合而发生了极化，如图1.3 （b）所示。这种极化就称为离子式极化。
图1.3 离子式极化示意图
离子式极化的特点为：
（1）极化过程时间极短，为10-13 ～10-12 s，故极化（或εr值）不随频率的不同而变化。
（2）极化过程中无能量损耗。这是因这种极化也具有弹性的缘故。
（3）温度对极化有影响。温度升高时，离子间的结合力减弱，使极化程度增加；而离子的密度则随温度的升高而减小，使极化程度降低。综合起来，前者影响大于后者，所以这种极化随温度升高而增强，即εr具有正的温度系数（εr值随温度升高而增大）。
3.偶极子式极化
有些电介质的分子，如蓖麻油、氯化联苯、松香、橡胶、胶木等，在无外电场作用时，其正、负电荷作用中心是不重合的，这些电介质称为极性电介质。组成这些极性电介质的每个分子为一个偶极子（两个电荷极）。在没有外电场作用时，由于偶极子不停地作热运动，排列混乱，如图1.4 （a）所示，故介质邻近电极的两表面不呈现电的极性。在外电场作用下，偶极子受到电场力的作用而发生转向，顺电场方向呈有规则的排列，如图1.4 （ b）所示，邻近电极两表面呈现出电的极性。这种由于极性电介质偶极子分子的转向所形成的极化就称为偶极子式极化。
图1.4 偶极子式极化示意图
偶极子式极化的特点：
（1）极化所需时间较长为10-10 ～10-2 s，故极化与频率有较大关系。频率f很高时，由于偶极子的转向跟不上电场方向的改变，因而极化减弱。
（2）极化过程中有能量损耗。这种极化属非弹性极化，偶极子在转向时要克服分子间的吸引力和摩擦力而消耗能量。
（3）温度对偶极子极化的影响很大。温度高时，分子热运动妨碍偶极子顺电场方向排列的作用明显，极化减弱；温度很低时，分子间联系紧密，偶极子转向困难，极化也减弱。
以氯化联苯为例，其εr、 f、 t三者的关系如图1.5所示。
图1.5 氯化联苯的εr与温度t的关系（f1＜ f2＜ f3）
4.夹层电荷极化
在实际中，高压电气设备的绝缘常采用几种不同电介质组成的复合绝缘。即便是采用单一电介质，由于其不均匀，也可以看成是由几种不同电介质组成的，这种情况下会发生夹层式极化。
图1.6 夹层式极化物理过程示意图
下面以平板电容电极间的双层电介质为例来说明夹层式极化的过程。如图1.6 （a）所示，当开关S合上，两电介质在电场作用下都要发生极化。在等值电路图1.6 （b）中，C1、 C2、G1、G2分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的等值电容和电导，为了说明的简便，全部参数只标数值，略去单位。设：C1=1， C2=2， G1=2， G2=1， U=3。当开关S合上的t=0时刻，电压突然从零升至U作用在两电介质上，这相当于施加一个频率很高的电压，故此时两电介质上的电压按电容量反比分压（由于容抗远小于电阻），即
由于u1+u2=U=3，所以
此时两等值电容上电荷分别为
总等值电容为
这表明加压瞬间，Ⅰ、 Ⅱ两电介质分界面上下的正、负电荷相当，分界面处并不呈现电的极性。
之后，合闸后达到稳态（理论上为t→∞），等值电路如图1.6 （c）所示，此时两介质上的电压按电导反比分压（由于电流全流过电导），即
由于u1+u2=U=3，所以
此时两等值电容上电荷分别为
总等值电容为
。
这使得达到稳恒状态后两电介质分界面上的正、负电荷不相等（在此例中夹层分界面上电荷总量多出+3，发生电荷积聚），在两介质交界面处显示出正的电极性来。我们将这种使夹层电介质分界面上出现电荷积聚的过程称为夹层式极化。夹层式极化也使等值电容增大。
夹层式极化过程是很缓慢的，也就是说经过一个缓慢的极化过程后，夹层介质的分界面上才呈现出某种电荷的极性来。
对于这个例子，夹层式极化过程就是C1上电压从2降至1， C2上电压从1升至2的过程。而这种电压的升降都是通过G1、G2进行的。由于电介质的电导非常小（电阻非常大），则对应的时间常数（RC）非常大，这就是夹层极化过程非常缓慢（一般为几秒到几十分钟，甚至长达几小时）的缘故，因此这种极化只有在频率不高时才有意义。显然，夹层极化过程中有能量损耗。
既然分界面上电荷积聚的过程是缓慢的，那么此电荷的释放过程也将是缓慢的。因此，具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接进行彻底放电以免危及人身安全，大容量电容器不加电压时要短接即为此原因。
了解电介质的极化，在工程上是很有意义的。例如，选择电容器中的绝缘材料时，选εr大的材料，这样电容器单位电容量的体积和质量都可减小。而选择其他电气设备绝缘材料时，一般希望εr小一些，例如选用εr小一些的材料作交流电力电缆的绝缘可减小电缆工作时的充电电流以及因极化引起的发热损耗。由于多种电介质串联时，各电介质中的电场强度与它们的介电系数εr成反比，因此在几种绝缘材料组合使用时，要注意各绝缘介质εr值的合理搭配，以使各绝缘介质层中的电场强度尽量分布均匀。
