电介质及其介电特性-基本介电现象.ppt

1 电介质的基本介电现象 2 1 电介质在电场作用下的主要特性电导 极化 损耗 击穿2 电介质的功能特性电 机械 电 热 电 光电 压敏 PTC 主要内容 电介质的基本介电现象 3 1 电介质在电场作用下的主要特性电介质 在电场作用下能建立极化的一切物质 存在较强电场并可发生明显极化现象的材料 电力线能透过的物质 法拉第1839年 电介质物理 是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科学 主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现象以及由此产生的各种效应 主要特性 电介质在电场作用下最主要的电特性是极化和电导 以及在此基础上产生的损耗与击穿现象 电介质在电场作用下的主要特性 4 1 1介质电导定义 电介质电导是电介质中存在的少量载流子 贯穿整个介质而构成 漏泄电流 的物理现象 电介质在电场作用下的主要特性 特点 在直流电压作用下有较稳定的电流通过 表征 用电阻率 v或电导率 来表征材料的电导特性 5 在电介质截面积为S 厚度为L的平板型材料的情况下 则有 电介质在电场作用下的主要特性 由此可得 R 电阻 单位为欧姆 G 电导 S v 体电阻率 m 体电导率 S m U 电压 V E 电场强度 V m j 电流密度 A m2 6 电导特性是任何一种材料 无论导体 半导体 还是电介质 都具有的电学性质 并非电介质所特有 但不同材料在电导率的大小上却相差很远 例如 一般导体 109 S m 绝缘性能良好的电介质 10 18 S m 相差1027倍 导电机理有明显区别 因此对电介质电导需作专门的讨论 电介质在电场作用下的主要特性 为什么 7 2介质极化定义 极化是电介质中束缚在分子内部或局部空间不能完全自由运动的电荷 在电场作用下产生局部的迁移而形成感应偶极矩的物理现象 是电介质特有的性质 电介质在电场作用下的主要特性 电介质 在电场作用下能产生极化现象的材料 表征 单位体积电介质中形成的总感应电矩 极化强度 在线性介质中 x 介质极化系数 0 真空介电常数 8 854 10 12F m 8 电介质在电场作用下的主要特性 在工程技术中 通常采用比电容率 或相对介电常数 来作为介质极化的量度 比电容率是以介质充入真空电容器后 此电容器的电容量 C 与原真空电容器的电容量 C0 之比来计量 r 相对介电常数 它与 0的乘积 定义为介质的介电常数由电工学可得 9 体电阻率 v 和相对介电常数 r 是表征材料介电特性的最主要参数 它们在线性材料中是与电场强度无关的常数 当电场频率改变时也会改变 在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度有关 因此 r为温度 电场频率 电场强度的函数 v则为温度 电场强度的函数 电介质在电场作用下的主要特性 10 1 3介质损耗在交变电压下 由于极化 使介质中存在电容电流和电导电流 对电容器而言 希望电容电流大 而引起损耗的电导电流小 从而引入一个新的介质物理参数 介质损耗角正切tan 电介质在电场作用下的主要特性 11 Pr电容介质损耗有功功率 Pc电容无功功率 电介质在电场作用下的主要特性 定义 只有电导电流损耗时 tan 与 成倒数关系 极性介质的tan 与 是有峰值的曲线关系 极性介质的tan 值比非极性介质的tan 值大 而且tan 随 的变化呈非倒数式关系 这是由于介质极化滞后所形成的损耗而引起 因此 研究介质损耗的重点就是研究介质极化形成的动态过程中产生的损耗 12 1 4介质击穿在高场强下介质的电导电流将会成指数式激烈上升 导致介质进入高导电的非平衡状态 电介质击穿现象 电介质在电场作用下的主要特性 主要判据 13 在均匀电场下 如介质厚度d 介质击穿电压UB 电介质在电场作用下的主要特性 EB 介质击穿场强 描述电介质耐电压特性的重要物理参数 它与温度 电场形式有关 14 r v tan 和EB作为描述绝缘介质基本特性的四大物理参数 研究四大参数与电介质材料的组成 结构 含杂等的关系 以及温度 压力 电场性质 频率 波形等 的影响 研究成果广泛用于工程领域 成为 电介质工程 电介质在电场作用下的主要特性 15 电介质在电场作用下的主要特性 电容器的电储能密度W与 和E2呈正比提高储能密度可采用高 和高E的电介质材料推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料的一个最主要的共性问题 高功率脉冲电容储能技术为例 16 电介质在电场作用下的主要特性 涉及的科学与技术问题 高储能介质的介电性能 极化 弛豫机理高耐电强度 高介电常数介质的击穿特性结构优化 提高电容器有效储能体积放电特性 快速 大容量 消除电感高可靠性 稳定性与寿命性能评价 测 试 分析技术 17 电介质的功能特性 2 电介质的功能特性 电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外 在其电性和力学性能 热学性能 光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性 如 介质在电场作用下的电致伸缩效应 电压敏效应 场致发光效应和电热效应等 反映了介质把电能转化为机械能 光能 热能的功能效应 而 介质在力场作用下发生的压电效应 在热场作用下产生的热释电效应 在光照下引起的光电效应 导电性突变的PTC效应等 则为相反的功能转换特性 这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象有关 因此 对介质的介电和功能特性要有全面的了解 18 电介质的功能特性 2 1电 机械特性当介质分子在电场作用下发生弹性位移极化时 介质会在电场的方向有一定的伸长 产生机械变形X 与电场强度的平方成正比 所有电介质都存在的一种电 机械效应 与电场的指向无关 X x均大于零 称为伸长效应 铁电体中此效应较明显 一般介质在弱电场中不明显 x 电致伸缩常数 19 电介质的功能特性 在具有非中心对称结构的固体电介质中 除了上述的平方效应以外还观察到一种变形正比于电场的线性效应 即 d 压电模数 当介质上电压极性改变 即E变号时 机械形变X的符号亦将变号 电场可引起固体伸长或压缩 这一类介质在弱电场下此效应明显 不仅在电场作用下能引起机械变形 而且在力场作用下亦能引起介质极化 使介质表面带电 压电效应 Piezoelectriceffect 20 电介质的功能特性 压电效应可以把力学信息转化为电信息 存在于非对称结构的固体介质中 故有 线性效应一般要比平方效应显著非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应 形成极化 其极化强度与应变成正比 电 机械平方效应则无逆向的机械 电效应 在中心对称结构的电介质中 不管怎样的机械应力或变形都不能引起极化 e 压电常数 21 电介质的功能特性 2 2电 热效应介质在电场作用下由于电导电流和极化吸收电流会引起发热 其发热量一般与E2成正比 此时 电能变为热能是不可逆的 称为电介质损耗 特别在高频交流电场下 此发热可变得相当明显 22 电介质的功能特性 在一些热释电晶体中 不仅有平方关系的电热效应 还同时存在线性的热电效应 此为可逆效应 即在此种晶体加热时往往有电荷释放出 故称为热释电效应 温度对介质的电性能有明显影响 其影响规律往往成为探索介质物理机理的主要实验依据 电热常数 23 电介质的功能特性 2 3电 光效应光本质上是一种极高频率电磁波 当光波穿过电介质时 同样会有介质极化和能量损耗 介质吸收 的现象 光频极化常用光折射率n来表征 光折射率n是光在真空中的速度c与在介质中的速度 之比 n c 根据麦克斯韦尔电磁波方程有 光具有粒子性 一定频率的光子具有能量h 它与介质相互作用将能引起介质中载流子密度和电导率的变化 光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系 非铁磁性介质中 r 1 故n2 r 24 电介质的功能特性 光照引起电介质电导激烈增加的现象是最广泛的一种光电效应 光电导效应 Photoconductioneffect 这是由于光子进入介质引起介质中束缚电子的活化 产生新的导电载流子 使介质的电导率增大 对于禁带宽度不宽的电介质和半导体 当光子能量h Eg 禁带宽度 时 能引起光电动势 光伏打效应 Photovoltaiceffect 此时光能转化为电能 但这种转化效率在半导体中较强 如在硅和砷化镓中 现在 硅材料已成为一种应用最广泛的太阳能电池材料 某些电介质在强光照射下 亦能观察到介电系数的变化 其本质是光引起晶体中产生了激发态的激子 而导致有附加的介质极化电矩 从而改变了 r值 25 电介质的功能特性 在强电场下介质中最重要的电光效应是光折射率随电场强度的变化 此效应可以是非线性的或线性的 平方式效应称为克尔效应 Kerreffect 在任何电介质中都能观察到 线性电光效应称为普克尔效应 PockelsEffect 只在光各向异性的晶体和液体中存在 26 电介质的功能特性 机械应力和光同时作用在固体介质中 所观察到光折射率的改变 称为压光效应 由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变 上述电光效应的本质与此相似 电场引起介质极化 同时产生机械变形 导致光折射率的变化 当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质上时 则声频电场的变化可对激光的传播方向加以控制 这种声光效应已在近代电子技术中得到应用 27 电介质的功能特性 2 4电压敏效应具有晶界的复合材料 如ZnO SiC陶瓷等 其电导电流密度随电场强度呈非线性关系 在较高的电场强度下发生电流跃增现象 电压敏效应 此类材料可做成各种电压限制器件 28 电介质的功能特性 ZnO电压敏陶瓷应用为例 电流为电子性电导产生 低压下具有欧姆特性 随温度呈指数上升 导电机理为电子热跃迁电导 中压下为热激发电子电导 高压下则为隧道电子电导 电流密度与电场呈指数式关系 29 电介质的功能特性 应用 在工程上用作过电压保护元件 功能介质器件 表征 残压比 K 是其重要的特性参数之一 其大小是通过大电流 低阻 时的电压与通过小电流 高阻 时的电压之比值 U10kA 试样通过10kA电流时的电压U1mA 试样通过1mA电流时的电压元件残压比愈小 电压限幅作用愈强 30 电介质的功能特性 2 5电介质电阻正温度系数 PTC 效应 通常电介质的绝缘电阻大都随温度的上升而作指数式的下降 仍保持高阻绝缘状态 然而在二十世纪中叶人们发现 有一类材料在常温下为半导电状态 而在材料温度升到