第三章-电介质材料-(基础知识)

1、电 介 质 材 料,第三章,3-1 电介质物理基础知识,3-2 电容器介质材料,3-3 压电材料和热释电材料,3-1-1 电介质及其极化,3-1-2 电介质的介质损耗,3-1-3 电介质的电导和击穿,3-1 电介质物理基础知识,电介质材料的四个基本参数：,介电常数（）、损耗角正切（tan）、电导率（ ）、抗电强度（ Ep ）,3-1-4 电介质材料的非电性能,3-1-1 电介质及其极化,室温下金属导体、半导体、电介质的电阻率分别为：,10-8 10-6,10-5 106,108 1018,导体,半导体,电介质,2）在较弱电场下具有极化能力，并以电极化的方式传递、存储和记录电的作用与影响；,1）

2、电介质是绝缘体，无自由电荷，只存在束缚电荷。,3）电介质可作绝缘材料，还可用于制作电容器、压电器件及介质天线等电子元器件。,1. 电介质的定义,4）极性分子电介质和非极性分子电介质,极性分子：分子的正负电荷重心不重合。,例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH,H2O分子,非极性分子：分子的正负电荷重心重合。,极性分子具有固有偶极矩，,非极性分子的偶极矩为零。,例如， CO2、 H2、N2、CH4、He,电偶极子,电偶极矩： 。,2. 电介质的极化,在电介质中，原子、分子或离子的正负电荷以共价键或离子键的形式被强烈 的相互束缚着，这些束缚电荷在外电场的作用下分布发生变化，在电介质

3、内 形成感应宏观偶极矩的过程，称为电介质的极化。,感应宏观偶极矩的形成：,非极性介质 在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移， 正负电荷相对位移的方向相反，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质 整体来看，就形成了感应宏观偶极矩。 极性介质 组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有 固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和 为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零， 电介质对外表现出感应宏观偶极矩。,：外电场,：退极化场,介质中的总场强：,由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质

4、内形 成与外电场方向相反的退极化场； 介质的极化能力越强，退极化场越强。,极化使电介质表面出现感应束缚电荷,2.1 介电常数（）,取D/E比值来反映介质的极化能力：, ：电介质的介电常数；,D ：介质中的电位移，仅与自由电荷的密度有关；,E ：介质中的总电场强度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。,介电常数是描述介质极化能力的一个重要物理参数！,：相对介电常数,：真空介电常数,介电常数反映了介质极化能力的大小，介质的介电常数值越大，极化能力越强；,电容器介质的介电常数越大，电容器存储电荷的能力越强。,常用电介质材料的相对介电常数,2.2 介质极化强度和极化率,为了描述电介质在外场中

5、的极化情况，引入极化强度矢量 ，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：,若介质中的电场是均匀的，则有：,单位为：C/m2,若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为 ，则有：,对于线性极化， 与电场强度成正比，有：,：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；,：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。,2.3 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系,平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀 极化时，整个电介质总的感应偶极矩：,S,极化强度：,提高电介质的介电常数：,提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取极化率 大的粒子组成电介质； 增强作用于极

6、化粒子上的有效电场Ee。,对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质， 有效电场与外电场的关系为：,这样的有效电场称为洛伦兹（Lorentz）有效电场，将其代入r公式：,称为克 莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下，联系电介质极化 宏观参数与微观参数的关系式。,2.4 电介质极化的类型,电子位移极化、离子位移极化、 偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化,1）电子位移极化,电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，粒子中的 电子云相对于原子核发生位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。,电子云,原子核,电子位移极化模型图,+q,-q,电子位移极化率与温

7、度无关：温度的高低不足以改变原子或离子的半径。 电子位移极化建立的时间很短，约在10-14 10-16 s范围；如果所加电场为交变 电场，即使电场频率高达光频，电子位移极化也来得及响应。 电子位移极化存在于一切介质中。,电子位移极化产生的感应偶极矩：,为电子极化率：,电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径 r 越大，电子离原子核 越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。,（电子位移极化率的数量级为10-40 F.m2）,实验测量得到的 值并不严格等于 ，不同原子和离子 比值大小不一样， 值大的原子或离子越容易发生极化。,（P10，表2-2）,2）离子位移极化,偶极矩矢量和为零；

8、,感应偶极矩：,为离子位移极化率。,当离子位移为完全弹性位移时，可以得出：,离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微； 离子位移极化对外场的响应时间也较短，约为10-12 10-13 s。,（离子位移极化率的数量级为10-40 F.m2）,（a为晶格常数，晶体密堆积时 ）,3）偶极子转向极化,在没有外电场时，分子的热运动使偶极子作混乱排布， 分子固有偶极矩在空间个方向的取向几率相同，宏观 偶极矩 为零。,在电场作用下，极性分子沿电场方向取向几率大于 其它方向，形成宏观偶极矩。,极性分子具有固有偶极矩 ，可以把它们看成偶极子。,可以证明，偶极子转向极化率为：,偶极子转向极化率随温度的升高而下

9、降：温度升高，热运动的抗取向作用加剧；,偶极子转向极化对外电场的响应时间较长，约为10-8 10-2 s。,（偶极子转向极化率的数量级为10-38 F.m2）,4）离子松弛极化,玻璃态物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷区域，离子本身能量较高， 容易受热激活，越过势垒，在不同的平衡位置之间跃迁，称为弱束缚离子。,U,x,U,x,A,B,U,跃迁几率相同,A,B,沿电场方向迁移几率增加,+,+,在电场作用下，沿电场方向产生过剩跃迁的离子，使电介质电荷分布不均， 形成电偶极矩。,离子松弛极化率： ，与温度成反比；,离子松弛极化建立的时间较慢，约为10-2 s；,离子松弛极化是非可逆的过程，且离

10、子跃迁的距离可与晶格常数相比拟。,5）空间电荷极化,当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下， 载流子将移动，使介质有微小的漏导电流。,移动的载流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷处，形成空间电荷的局部 积累，使介质中电荷分布不均，从而产生电偶极矩，发生极化。,空间电荷极化与介质的电导密切相关； 空间电荷极化建立的时间很长，在几分之一秒到几个小时范围内。,6）自发式极化,某些晶体具有特殊的结构，其晶胞自身的正负电荷重心不重合，即晶胞具有极性。,由于晶体结构的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐 级影响到相邻的晶胞，使它们的固有偶极矩朝向相同的方向。由

11、于这种极化状 态是在外电场为零时自发建立的，称为自发极化。,具有相同极化方向的自发极化区域，称为电畴。没有外电场时，电畴空间取向平 均， 介质不显极性；有外电场时，电畴沿电场方向转向，显示强烈的极化效应。,电畴,自发极化产生的介电常数非常高，且极化建立的时间很长。,7）请思考下列介质中存在的极化类型, N2、H2、CO2,非极性气体，只存在电子位移极化, SO2、H2S、HCl,极性气体，存在电子位移极化和偶极子转向极化, 苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯, 乙醇、聚氯乙烯, 离子晶体,非极性液体或固体，只存在电子位移极化,极性液体或固体，存在电子位移极化和偶极子转向极化,存在电子位移极化和离

12、子位移极化；有的还存在离子松弛极化和 自发极化（如BaTiO3）,3-1-2 电介质的介质损耗,电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟， 在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为瞬时极化。,偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化建立的时间较长， 称为缓慢极化，也称弛豫极化。,在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（s）。,+,瞬时极化与交变电场完全同步， 其极化强度与电场间没有相位差。,+,缓慢极化需要经过一段时间才能达到 相应电场下的最大极化值； 缓慢极化强度与电场之间存在相位差。,随着交变电场频率的不同，介质的极化响应分3种

13、情况：,频率很低：各种极化的建立跟得上电场的变化，介质的极化响应 同静电场情形；,频率极高：弛豫极化完全来不及建立，不必考虑； 瞬时极化仍同静电场情形；,介于中间：出现极化损耗，介电常数随电场频率变化。,1. 介质损耗和复介电常数,余弦交变电场：,介质的位移电流密度：,电场频率很低时： 极化跟得上电场的变化，电位移D（ ）与电场E之间没有相位差：,单位时间内单位体积消耗的能量：,交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。,1）极化损耗,电场频率较高时：,余弦交变电场：,某些类型的极化不能完全跟上电场的变化，电位移D（ ） 与电场E之间出现相位差 ：,介质的位移电流密度：,：不导致介质中出现能量损

14、耗,：单位时间单位体积的介质中能量损耗：,当极化滞后于交变电场变化时，介质中产生能量损耗，称为极化损耗； 极化损耗与电场频率 及 有关，相角 称为电介质损耗角。,2）复介电常数,复电位移：,当极化跟不上外电场的变化时， 与 之间有 角的相位差：,根据介电常数的定义（ ），引入复相对介电常数，习惯称为复介电常数：,当电位移和电场强度同位相时：,当电位移和电场强度有相位差时：,是实数；,是复数；,介质的复位移电流密度：,的实数部分：,的实数部分：,复介电常数：,没有能量损耗：无功电流密度,产生能量损耗：有功电流密度,单位时间单位体积极化损耗的能量为：,在实际应用中，介质损耗常用 值来表示：,称为介

15、质损耗角正切。,（损耗因子）,2. 德拜方程,由极化弛豫过程，德拜首先提出并建立了复介电常数与频率之间的关系， 称为德拜方程：,：频率 ，即静电场时的介电常数，称静态介电常数,：频率 时的介电常数，称光频介电常数,：弛豫时间，极化强度降为最大值的1/e时所需要的时间,2.1 复介电常数的频率特性：,：随频率的增加而降低，从静态值 降至光频值 ；,1） 时： ， ，即静电场下的情况；,2） 时： ， ，即光频下的情况；,3） 在 之间时：,：随频率的增加出现极值，极值频率 。,附近： 和 发生剧烈变化，称为弥散区域。,2.2 的频率特性：,随频率的增加出现极值，极值频率：,的频率特性与 类似：,

16、时：大致与 成正比；,时：大致与 成反比；,时：通过极大值。,3. 介电常数与温度的关系,宏观介电常数与微观参数：介质单位体积中的极化粒子数、 粒子的极化率及有效电场有关，考察 随温度的变化关系，只需研究 n0、 、和 Ee 随温度的变化关系。,4. 计及漏导电流时的介质损耗,任何介质都不是理想的绝缘体，在加上交变电场后，除极化损耗外， 还有漏导电流产生，电流做功，以热的形式散发出来，形成介质损 耗的一部分，称为漏导损耗，也称电导损耗。,介质损耗：,：极化引起的损耗角正切；,：电导引起的损耗角正切；,( 为介质的电导率),： ，只有电导电流引起的损耗：,1）,与频率的关系：,3）随着频率的升高

17、，极化损耗开始起作用，出现损耗峰值；,2）频率很低时： 可忽略不计；损耗主要由电导引起：,4）频率极高时：,与电导率 的关系：,当电介质的电导增加时，漏导损耗的比例就相应增加；,1） 很小时：明显的极化损耗特征；,2） 逐渐增大时：极化损耗极大值逐渐变得不明显；,3） 很大时：极大值完全被淹没， 随频率增加迅速下降， 表现出明显的电导损耗特征。,1,2,3,4,5,O,电导率 与温度的关系：,低温区：极化损耗为主；,高温区：漏导损耗呈指数急剧上升。,O,T,极化损耗,与温度的关系：,与温度的关系，随着 的增加， 极化损耗也逐渐被电导损耗覆盖。,1. 电介质的电导,3-1-3 电介质的电导和击穿

18、,实际电介质中或多或少地存在着一定量的自由带电粒子，在不高的外电场下， 这些载流子定向迁移，形成很小的电流，称为漏导电流。,若电介质中正负载流子的浓度相同，均为n，每个载流子的带电量为q，则 介质中的电流密度为：,电导率和电阻率直接表征了介质绝缘性能的优劣； 电场不高时，电导率与电场无关； 提高介质的绝缘性： 减少载流子数； 降低迁移率。,2. 电介质的击穿,当电场强度相当高时，电导率随 E 升高迅速增加；若电场继续升高，介质的 电导将突然急剧增加，电介质的绝缘性被破坏，几乎变成导体，称为电击穿；,发生电击穿时的临界电压称为击穿电压；相应的临界电场强度称为抗电强度（Ep）。 抗电强度表征了电介质承受电场作用能力的高低。抗电强度有时也称击穿强度。,击穿的主要形式：,电击穿电介质的结构直接被电场力所破坏； 热击穿由于电介质材料的介质损耗导致电介质发热而被破坏； 电化学击穿由于外加电压的作用，致使电介质内部发生化学变化而引起击穿。,3-1-4 电介质材料的非电性能,1. 热稳定性,介电常数温度系数：,热稳定性：在温度变化时，电介质材料的电参数和其他物理量的