课件：第五章材料的介电性能.pptx

第五章 材料的介电性能,5.1 介质极化和静态介电常数 5.2 交变电场中的电介质,在外电场作用下，材料发生两种响应，一种是电传导，另一种是电感应。与导电材料相伴而生，主要应用于材料介电性能的这一类材料总称为电介质（材料）。 表征材料的介电性能的基本参数：介电系数、介电损耗、电导率和击穿强度。,5.1 介质极化和静态介电常数,5.1.1 电介质极化及其表征,电介质内部没有自由电子，它是由中性分子构成的，是电的绝缘体。所谓中性，是指分子中所有电荷的 代数和为零 由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移，被称作束缚电荷。 与外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值 保持中性,图5.1 电介质的极化现象,如右图所示：在外电场的作用下，这些带电粒子可以有 微观的位移，这种微观位移将激发附加的电场，从而使 总电场变化。 电介质就是指在电场作用下能建立极化的一切物质,电偶极子：一个正电荷q和另一个符号相反、数量相等的负电荷-q 由于某种原因而坚固地互相束缚于不等于零的距离上。 电偶极矩 ： = ,根据分子的电结构，电介质可分为两大类：极性分子电介质和非极性分子电介质,单位强度中电偶极矩的矢量和 是用来衡量电介质极化强弱的一个参数，该参数被称为极化强度P，表示为： = 极化与场强E之间的关系 = 0 在静电学中，为了描述有介质存在时的高斯定理而引入了一个矢量，称为电位移或电感应D，其定义为 = + = 0 1+ ,比例系数 0 (1+)只与该点的介质性质有关，称为介质的绝对介电常数，记作，即= 0 1+,相对介电常数，记作 ，即 = 0 =1+,表5-1 一些玻璃、陶瓷和聚合物在室温下的相对介电常数 ,5.1.2 电介质的极化的微观机制,如果按作用质点的性质分，介质的极化一般包括三部分：电子极化、离子极化和偶级子转向极化,通常意义上，电介质极化是由外加电场作用于这些质点产生的，还有一种极化与质点的热运动有关。 因此。极化的基本形式有可分为两种： （1） 位移式极化：一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。例：电子位移极化、离子位移极化 （2） 松弛极化: 与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，消耗能量 例：电子松弛极化、离子松弛极化,1. 电子位移极化,5.1.2 电介质的极化的微观机制,电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程) 电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。,图5.2 电子云位移极化示意图,电子云位移极化的特点： a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为与频率无关； b)具有弹性，没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。,根据经典弹性振动理论可以计算出电子在交变电场中的极化率为： = 2 1 0 2 2 当趋近于零时，可得到静态极化率 = 2 0 2,利用玻儿原子模型，可具体估算出 的大小: = 4 3 0 3,结论：电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关,2. 离子位移极化,5.1.2 电介质的极化的微观机制,对于离子组成的分子，在电场作用下，正负离子都要产生有限范围的位移，因而使介质产生感应偶极矩。这种感应偶极矩是正负离子之间出现相对位移的结果。 主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。,根据经典弹性振动理论可以计算出电子在交变电场中的极化率为： = 2 1 0 2 2 以离子晶体的极化为例，每对离子的平均位移极化率 = 12 0 3 (1),离子位移化的主要特点： 形成极化所需要的时间极短，约10-13s，故一般可以认为 与频率无关 属弹性极化，几乎没有能量损耗 一般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有增强的趋势,3. 固有电矩的取向极化,5.1.2 电介质的极化的微观机制,电介质中电偶极子的产生有两种机制：一是产生于感应电矩；二是产生于固有电矩,在么偶外电场作用时，电偶极子在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它的带电特征；如果将该系统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向时，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化，这个过程被称为取向极化或转向极化,在取向极化过程中，热运动（温度作用）和外电场是使偶级子运动的两个矛盾方面，偶级子沿外电场方向有序化将降低系统能量，但热运动破坏这种有序化，在两种平衡条件下，可以得到偶极子取向极化率为 = 0 2 3 ,固有电矩的取向极化具有如下特点： 极化是非弹性的 形成极化需要的时间较长，为10-1010-2s 温度对极性介质的 有很大影响。,取向极化的机理可以应用于离子晶体的介质中，带有正、负电荷和成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中的“偶级子”，在外电场作用下也可能发生取向极化。如下图所示的极化是由杂质离子（通常是带大电荷和阳离子）在阴离子空位周围跳跃引起的，有时也称为离子跃迁极化，其极化机构相当于偶级子的转动。,在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的取向极化,在非晶体固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他复杂的微观极化机制。 松弛极化、空间电荷极化和自发极化,4. 松弛极化,有一种极化，虽然也是由外加电场造成的，但是它还与带电质点的热运动状态密切相关。 当材料中存在弱电联系的电子、离子和偶级子等松弛质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱， 而在电场的作用使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热松弛（驰豫）极化,包括：电子松弛极化、离子松弛极化以及偶级子松弛极化，多发生子晶体缺陷区或玻璃体内，有些极性分子物质也会发生,4. 松弛极化,材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态； 处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点； 外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。,（1）电子松弛极化 ：,4. 松弛极化,（2）离子松弛极化 ,（2）离子松弛极化 ,根据弱联系离子在有效电场作用下的运动，以及对弱离子运动是类计算，可以得到离子热驰豫极化率的大小为 = 2 2 12 ,5. 空间电荷极化,在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍； 在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。 在电场的作用下，这些混乱分布的空间趋向于有序化，即空间电荷的正、负电荷质点分布向外电场的正、负极方向移动，其表现类似于一个宏观的电矩群从无序取向向有序取向的转化过程。这种极化称为空间电荷极化,空间电荷极化的特点： 时间较长； 属非弹性极化，有能量损耗； 随温度的升高而下降； 主要存在于直流和低频下，高频时因空间电荷来不及移动，没有或很少有这种极化现象。,6. 自发极化,这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构造成的，在这类晶体中，每一个晶胞里都存在固有电偶极矩，即使外加电场除去，任存在极化，而且其自发极化方向可随外电场方向的不同而反转，这类材料称为铁电体,对于铁电体，当温度靠近 时,有 = ,铁电体的就按强度P和电场强度E的关系类似于铁磁材料的此话特性，称为电滞现象,自发极化在某一温度下急剧消失，称此为“居里温度”，并用Tc表示,表5-2 各种极化形式的比较,图5-8 各种极化频率范围及其对介电常数的贡献,5.1.3 宏观极化强度与微观极化率,1. 有效电场,作用在被考察分子上的有效电场与宏观电场不同，它是外加宏观电场与周围极化了的分子对被考察分子相互作用电场之和。即与分子、原子上的有效电场、外加电场E0、电介质极化形成单刀退极化场Ed、还有分子或原子周围的带电质点的相互作用有关,当电介质极化后，在其表面形成了束缚电荷。这些束缚电荷形成了一个新的电场，由于与极化电场方向相反。故称为退极化场Ed，如右图所示。,图5.9 退极化场Ed,外加电场E0和退极化场Ed的共同作用才是宏观电场E宏，即 E宏=E0+Ed,莫索堤导出了极化的球形腔内局部电场Eloc表达式 Eloc=E宏+P/3 ,2. 克劳修斯-莫索堤方程,5.1.3 宏观极化强度与微观极化率,电极化强度P可以表示为单位体积电介质在实际电场的作用下所有偶极矩的总和，即 = ,带电指点的额平均偶极矩正比于作用在质点上的局部电场Eloc,即 = ,= , = 宏 + 3 0,已经证明，电极化强度不仅与外加电场有关，且与计划电荷产生的电场有关，可以表示为 = 1 宏,整理得：, 1 +2 = 1 3 0 ,5.1.4 影响介电常数的因素,由 = 1 宏 可以看出，材料的介电常数与它电极化强度有关，因此影响电极化的因素对它都有影响,介电类型 温度系数 介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大 介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的关系,介电常数温度系数是温度变化时介电常数的相对变化率，即 = 1 ,实际工作中常采用实验的方法来确定，通常是用 的平均值来表示 = 0 = 0 0 0,2019/4/22,27,可编辑,5.2 交变电场中的电介质,5.2.1 复介电常数,在变动的电场下，静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数复介电常数,一个在真空中的容量为 0 = 0 的平行平板电容器，此时施加角频率为正弦交变电压= 0 ,则在电极上出现电荷= 0 ,并且与外电压同相位，此时电容上的电流为 = = 0 = 0 0 + 2,虚因子= 1 ,表示I与V有90的相位差，如下图所示,5.2.1 复介电常数,当两级间充以非极性的完全绝缘的材料是，= 0 0 0 ,则电流变为：,= = 0,它 0 比大，但与外电压仍相差90相位,这时，可以把实际电容器的电流I分解为两个电流分量 1 和 ,= 1 + 2 = + ,把= ,= 0 （式中，S为极板面积；d为介质厚度；为电导率）代入上式有：,= 0 + ,式中，第一项 0 称为位移电流密度；第二项称为传导电流密度。,由j= 0 定义复介电常数 ，即, = 0 + = 0 = ,复介电常数最普遍地表达式是, = “,这里 和 “ 是依赖于频率的量,5.2.2 介电驰豫的物理意义,图5.11 极化强度的建立,当电介质开始受静电场作用时，要经过一段时间后，极化强度才能达到相应的数值，这个现象称为极化弛豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。,电介质中同时存在两类极化形式，那么表征电介质极化强度的参数P可以写成如下形式 = 0 + ,当介质中只有一种松弛极化时，若t=0,Pr=0,并在此瞬时施加一个恒定电场，松弛极化强度与时间的关系可近似地表示为 = 1 ,当极化强度达到稳态以后，移去电场，Pr(t)将随时间的额增加而呈指数式下降，经过相当长的时间之后， Pr(t)实际上降低至零 = ,5.2.3 德拜驰豫方程,总的介电响应宏观效果可用相对介电常数来描述。在频率为的正弦波交变电场作用下，电介质的极化驰豫现象一般可用如下的和的普遍关系 = + 0 , 为衰减因子，它将上式中的 分为实部 和虚部 ” 。,在特殊情况下，可以令 = 0 , = + 0 1 ,记作 0 = 则 = + 0, 为静态相对介电常数，则有 = , = “ = + 1,而,由上式可得到复介电常数的实部 、虚部 ” 和损耗角正切的表达式, = + 1+ 2 2, “ = 1+ 2 2,= “ = + 2 2,上式就常称为德拜方程,5.2.3 德拜驰豫方程,在德拜方程中消去, 1 2 + 2 + “ 2 = 1 4 2,Cole-Cole图在处理实验数据时很有用。在不同的频率下，测出复介电长生殿额实部和虚部，将测量点标在复平面上，所实验点组成一个半圆弧，则属于德拜型驰豫；同时，个别实验点对圆弧的偏离程度表明了这些实验点的精确程度,对于偏离德拜型的介电驰豫，有一个很有用的经验公式，把复介电常数写成：, = “ = + 1 1,5.2.4 谐振吸收和色散,谐振型介电响应通常出现于红外或更高频率的范围内。离子位移极化和电子位移极化被想象为弹性力联结在一起的正负电荷，即弹性振子，具有系统本身的固有振动频率 0 ，在低频以下其弹性是瞬时完成的, =1+ 2 0 0 2 2 0 2 2 2 +4 2 2, “ = 2 0 2 0 2 2 2 +4 2 2,5.2.5 介电损耗,介质损耗：任何电介质在电场（直流、交流）的作用下，总有部分电能转化为其他形式的能 电介质损耗：电介质在单位时间内损耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗,1. 介质损耗的形式和微观原理,电介质在恒定电场的作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关,由样品集合电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量 由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗为极化损耗 由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗,1）电导（或漏导）损耗,缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。 实质相当于交流、直流电流流过电阻做功，一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗。,由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。 结论： 当外电场频率很低，即0时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成损耗； 当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当时，损耗达到最大； 当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无贡献，介电常数仅由位移极化决定， 0时， tan，此时无极化损耗。 （说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据 =tan）,2）极化损耗,对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率，则发生共振吸收。,3）共振吸收损耗,2. 介电损耗的表示方法,5.2.5 介电损耗,2. 介电损耗的表示方法,5.2.5 介电损耗,在交变电场下，除电导损耗外，还有因介质极化（尤其是取向极化）而引起的能耗,根据电工学原理，交变电压产生电流的功率为=,对于实际电介质，相位角都略小于/2，即= 2 ，两者之差为。当很小时，有,= 2 =,单位体积电解质的功率损耗可表示为,= = 2,综合电导损耗和极化损耗两部分，可得到介质损耗为：,= + 0 1+ 2 2 2 2,介质损耗率P为,= + 0 1+ 2 2 2 2,5.2.6 影响介质损耗的因素,影响材料介质损耗的因素可分为两类，一类是材料结构本身的影响，如不同材料的漏导电流不同，由此引起的损耗也各不相同。第二类是外界环境或实验条件对材料介电损耗的影响。,1. 介质损耗与频率的关系,1）当0,此时只有电导损耗, = ,= 2,= 2,2) 低频区（1）, + 0 2 2, + 0 2 2, = + 1+ 2 2, 0 ,1. 介质损耗与频率的关系,3) 反常弥散区（1 ）,当=1时，交变电场的变化周期与松弛时间相接近，松弛极化随电场频率的变化最敏感,4）高频区（1 ）, , + 0 2 2, + 2 = 2,0,5.2.6 影响介质损耗的因素,2. 介质损耗与温度的关系, 、都与松弛时间有关。,= 1 2 ,1) 低温区, 2 = 0 2, + 1+ 2 2, 2 = 0 2, 0 = ,2. 介质损耗与温度的关系,2) 反常分散区,温度继续升高，当下降到=1时，松弛极化时间与电场变化周期相接近，松弛极化处于最敏感的位置,3）高温区,温度继续升高，使很小，即=1时，极化已无滞后于电场变化的现象，极化全部能充分地建立,= 2 = 2,= 0 = 0 2,5.2.6 影响介质损耗的因素,3. 介质损耗与湿度的关系,介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松弛损耗增加，而使增大，对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如纸内水分含量从4%到10%时，其可增加100倍,5.