介电极化材料物理性能ppt课件.ppt

材料物理性能 1 1 掌握电介质极化的形式和特点 2 了解复介电常数的意义和介质损耗的形式 3 掌握提高介质材料介电强度的方法 一 介质的极化二 介质的损耗三 介电强度 由于介质材料在电场的作用下 带电质点发生短距离的位移 而不是传导电流 因此在电场中表现出特殊的性状 大量地用于电绝缘体和电容元件 要求 本章内容 第4章材料的介电性能 2 3 1 电介质 通常 109 m 从电场这一角度看 电介质就是绝缘体 2 极化现象 概述 在电场作用下 能建立极化的一切物质 导体 109 m 将电介质放入电场 表面出现电荷 这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做电介质的极化 所产生的电荷称之为 感应电荷 只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用 4 正极板附近的介质表面上感应出负电荷负极板附近的介质表面上感应出正电荷 3 电介质内部的总场强 极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消 它只能削弱外电场 介质内部的总场强不为零 5 3 电介质的结构 电介质的主要特征 质点中电子被原子核束缚得很紧 即使在外电场作用下 电子一般只能相对于原子核有一微观的位移 而不象导体中的电子那样 能够脱离所属原子作宏观运动 6 1 真空平行板电容器C0 A为面积 d为板极间距 0真空介电常数 0 8 85 10 12F m 法拉 米 是电介质的介电常数 r称相对介电常数 r反映了电介质极化的能力 4 电容 2 嵌入电介质的电容器C 7 电介质对电容器的的影响 1 可以使电容C增加 C C0其中C0是电容器极板间为真空时的电容 2 极板间其间充满均匀的电介质可以增加电容器的耐压能力 与空气相比 8 4 1介质的极化 一 极化及极化参数 二 克劳修斯 莫索蒂方程 三 介质的极化 掌握介质的极化现象及其物理量 理解介质极化的各种形式 包括电子位移极化 离子位移极化 松驰极化 转向极化 空间电荷有为化 自发极化 要求 分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素 通过定义电介极化强度 建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系 电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电场之间的关系 推导出介电常数与质点极化率的关系 9 一 极化及极化参数 电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化 1 极化 非极性介质极化过程 2 有了外电场 正 负电荷将分别受到相反方向的电场力作用而被拉开 导致正 负电荷中心发生相对位移 3 介质内质点 原子 分子 离子 正负电荷重心的分离 从而转变成偶极子的过程 1 无外加电场时 正 负电荷中心是重合的 10 在外电场作用下 电介质的两个表面分别出现的正电荷和负电荷 它们是和介质分子连在一起的 不能在电介质中自由移动 也不能脱离电介质而独立存在 故称为束缚电荷或极化电荷 4 每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列 在外电场作用下 电介质出现束缚电荷的这种现象 称为电介质的极化 5 在和外电场垂直的电介质两侧表面上 分别出现正 负电荷 为束缚电荷或极化电荷 束缚电荷或极化电荷 11 3 当有外电场时 每个偶极子受到力偶矩作用 各个偶极子方向趋向一致 要转向外电场的方向 极性介质极化过程 4 在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷 1 介质内部存质点的正 负电荷的中心不相重合 存在一定距离 自身形成一个偶极子 2 无外加电场时 各个偶极子方向随机排列 杂乱无序 5 如果撤去外电场 由于分子热运动 偶极子的排列又将变得杂乱无序 电介质又恢复电中性状态 12 偶极子 在电场作用下 构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动 组成一个偶极子 l 2 极化物理量 1 电偶极矩 ql 单位 库仑 米 电偶极矩的方向 负电荷指向正电荷 电偶极矩的方向与外电场的方向一致 2 1电偶极矩 质点的极化率 Eloc 表征材料的极化能力 局部电场Eloc 作用在微观质点上的局部电场 13 2 外电场对点偶极子的作用 在外电场E的作用下一个点电偶极子p的位能 上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时 能量为最低 而反向时能量为最高 U p E 力f使电偶极矩向电力线密集处平移 力矩M使电偶极矩朝外电场方向旋转 点电偶极子所受外电场的作用力f和作用力矩M分别 f p E M p E 14 1 介质的极化强度P P V单位介质体积内的电偶极矩总和 电介质极化系数 P与宏观平均电场E成正比 2 2极化强度P P 0 E 0 r 1 E 可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率 有以下关系 极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量 其单位为C m2 2 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系 对各向同性介质 实验表明 当电场不太强时 极化强度与场强成正比 r 1 15 二 克劳修斯 莫索蒂方程 在外电场的作用下电介质发生极化 整个介质出现宏观电场 但作用在每个分子或原子上使之极化的局部电场 也叫有效场 并不包括该分子或原子自身极化所产生的电场 因而局部电场不等于宏观电场 但局部电场与宏观电场有关 宏观电场E平行板两端的实际电场强度为外加电场E外与退极化场E1之和 即E E外 E1 这一电场为宏观电场 原子位置上的局部电场Eloc原子位置上的局部电场Eloc也叫有效电场 晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场E外与晶体内部内部其它原子偶极子所产生的电场之和 即Eloc E外 E总 对于气体质点 其质点的相互作用可以忽略 局部电场与外电场相同 16 构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 退极化电场 即由材料表面感应的电荷所产生 1 宏观电场 退极化场E1 外加电场E外 物体外部固定电荷所产生 即极板上的所有电荷所产生 E宏 E外 E1 17 退极化场E1 2 原子位置上的局部电场Eloc 1 局部电场 晶体中其它原子所产生的电场E总 外加电场E外 晶体中原子上的内电场 球外介质的作用 晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原子的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场 E总 E1 E2 E3 洛伦兹场E2 空球表面极化电荷作用场 E2 称为洛伦兹场 E3为只考虑质点附近偶极子的影响 其值由晶体结构决定 空腔内其他偶极子的场E3 晶体中其它原子所产生的电场E总 18 由P Q1 A oE1得 E1 P o 退极化场E1 对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场 2 局部电场Eloc 为了方便 可将其他原子偶极子场进行分解 并对其求和 19 洛伦兹场E2 在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔 空腔表面上的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场E2 可根据库仑定律 以 表示相对于极化方向的夹角 处空腔表面上的面电荷密度就是 Pcos 取d 角对应的微小环球面 其表面积dS为 20 dq在空腔球心O点产生的电场 dS面上的电荷 整个空腔球面上的电荷在O点产生的洛伦兹场E2 21 E3为只考虑质点附近偶极子的影响 其值由晶体结构决定 具有对称中心及立方对称环境结构的晶体 E3 0 得局部电场 洛伦兹关系 空腔内其他偶极子的场E3 22 3 克劳修斯 莫索蒂方程 克劳修斯 莫索蒂方程 由P 0 r 1 E 及P n Eloc 23 r 1 r 2 n 3 o r 1 r 2 r越大其值越大 克劳修斯 莫索蒂方程的意义 建立了可测物理量 r 宏观量 与质点极化率 微观量 之间的关系 克劳修斯 莫索蒂方程的适用范围 由于在推导克劳修斯 莫索蒂方程上时 假设E3 0 适用于分子间作用很弱的气体 非极性液体 非极性固体 具有适当对称性的固体 高介电常数质点的 r和 从克劳修斯 莫索蒂方程可知 为了获得高介电常数的介质 需要选择大 的离子 极化介质中极化质点数n要多 即单位体积的极化质点数要多 24 第二种是松弛极化 这种极化与热运动有关 完成这种极化需要一定的时间 并且是非弹性的 因而消耗一定的能量 三 介质的极化 1 介质极化种类 电子极化 离子极化 偶极子转向极化 空间电荷极化和自发极化等 2 极化基本形式 第一种是位移式极化 是一种弹性的 瞬时完成的极化 不消耗能量 电子位移极化 离子位移极化属这种情况 电子松弛极化 离子松弛极化属这种类型 25 26 四 位移极化 一 电子位移极化 在外电场作用下 由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象叫做叫电子位移极化 位移极化 位移极化主要是由电子的移动造成的 外场越强 分子电矩的矢量和越大 极化也越厉害 均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷 非均匀介质极化时 介质的表面及内部均可出现极化电荷 27 一个质量为m 带电为 e的粒子 为一带正电 e的中心所束缚 弹性恢复力为 kx 则在电场作用下的运动方程为 表示x对时间t的二阶导数 k是弹性恢复系数 x表示粒子的位移 1 电子位移极化的经典理论 1 电偶极矩 电荷 e的运动方程 28 电偶极矩 电荷的相对位移x 弹性偶极子的固有振动频率 29 静态极化率令 0 得静态极化率 2 极化率 电子极化率依赖于频率 30 电荷 e 环绕以电荷 q为圆心的圆周轨道运行 垂直于轨道平面的电场Eloc使 q沿轴线从轨道中心移至M点 则原子感生偶极矩为 ed d OM 3 玻尔原子模型估算 e 31 核与电子吸引力e2 4 0R2和FR之间平衡而形成稳定的轨道 因此有 根据三角形几何关系 FR为沿轨道运行的电子的离心力 32 电偶极矩 和极化率 e 若考虑同类原子的一个集合 它们所有轨道是随机取向 如电场较低 则在电场方向上平均感生偶极矩为 cos2 1 3 电子极化率的大小与原子 离子 半径有关 平均感生偶极矩 33 离子的极化率和半径 34 在电场中离子的位移 受到弹性恢复力的限制 设离子位移 负离子位移 和 符号相反 二 离子位移极化 离子在电场的作用下 偏移平衡位置引起的极化 感生的电偶极矩 在交变电场作用下 离子在电场中的运动设想为弹簧振子 35 2 运动方程 约化质量 正离子受到弹性恢复力 k 负离子受到弹性恢复力 k 1 弹性恢复力 运动的牛顿定律 相对振动的固有频率 36 3 正负离子的相对位移 4 离子位移极化率 静态极化率令 0 可得静态极化率 离子位移极化建立的时间约为10 12 10 13秒 离子位移极化和电子位移极化的表达式一样 都具有弹性偶极子的极化性质 37 比位移极化移动较大距离 移动时需克服一定的势垒 极化建立时间长 需吸收一定的能量 是一种非可逆过程 五 松弛极化 松弛质点 松弛质点由于热运动使之分布混乱 电场力使之按电场规律分布 在一定温度下发生极化 材料中存在着弱联系的电子 离子和偶极子 松弛极化 松弛极化的特点 38 弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置 当去掉外电场时 离子不能回到原来的平衡位置 因而是不可逆的迁移 这种迁移的行程比弹性位移距离大 一 离子松弛极化 1 强联系离子 在完整的离子晶体中 离子处于正常结点 能量最低 最稳定 离子牢固地束缚在结点上 称为强联系离子 它们在电场作用下 只能产生弹性位移极化 2 弱联系离子 在玻璃态物质 结构松散的离于品体中以及晶体的杂质和缺陷区域 离子本身能量较高 易被活化迁移 称为弱联系离子 39 只能在结构松散区或缺陷区附近移动 需要越过势垒U松 由于U松 U电导 所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率 离子松弛极化与离子电导势垒U 结点上离子迁移需克服的势垒 U 填隙离于迁移需克服的势垒 3 离子松弛极化的迁移和离子电导的区别 离子松弛极化的迁移和离子电导不同 离子电导是离子作远程迁移 离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移 40 设单位体积的介质中弱联系离子总数为n0 则沿轴进行热运动的离子数为n0 3 沿x轴正向热运动的离子数为n0 6 沿x铀负向热运动的离子数也为n0 6 4 离子松弛极化 设缺陷区内有两个平衡位置1及2 当离子热运动超过位垒U时 离子就会从1转移到2 或从2转移到1 设单位体积内占有位置1和2的离子数分别为n1 n2 则 41 n2 n1 2 n 由2到1的离子数应为 则dt时间内 n1的变化为 式中负号表示对位置1来说为减少 平衡时 设位置1离子减少 n 则位置2的离子数增加 n 单位时间内由1到2的离子数 为离子的固有振动频率 当有外电场E作用时 离子从1到2与从2到l所克服的势垒不同 分别为 U U U U 这样沿x轴正向转移的离子数就会大于沿x轴负向转移的离子数 42 当 U kT时 43 设极化过程中 U不变 并令 C是常数 如果t 0 n也等于0 则C n0 U 6kT 所以 积分得 电场作用下 由于F qE 则 44 t 时 n趋于稳定 实际上 t 3 时 极化就基本完成 由于 n引起介质中弱联系离子分布不对称 产生的偶被矩总和为 nq 因而极化强度P为 式中E即为局部电场 因而热松弛极化率为 称为弱联系离子的松弛时间 n实际上为 x方向转移的净离子数 称为过剩转移离子数 45 松驰极化P与温度的关系中往往出现极大值 一方面 温度升高 减小 松弛过程加快 极化建立得更充分些 这时 可升高 另一方面 温度升高 极化 T下降 使 降低 所以在适当温度下 有极大值 离子松弛极化建立时间长达10 2 10 5秒 高频率下 无松弛极化 只存在电子和离子位移极化 趋近于 温度越高 热运动对质点的规则运动阻碍增强 因而 T减小 T P 46 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 二 电子松弛极化 1 弱束缚电子 晶格的热振动 晶格缺陷 杂质的引入 化学组成的局部改变等因素都能使电子能态发生改变 出现位于禁带中的局部能级 形成弱束缚电子 2 电子松弛极化 这种极化与热运动有关 也是一个热松弛过程 所以叫电子松弛极化 电子松弛极化的过程是不可逆的 必然有能量的损耗 47 电子松弛极化和电子弹性位移极化不同 完成极化的是弱束缚电子 产生的极化效果强烈 电子松弛极化和电子弹性位移极化 电子松弛极化和电导不同 只有当弱束缚电子获得更高的能量时 受激发跃迁到导带成为自由电子 才形成电导 弱束缚电子和自由电子 弱束缚电子和自由电子也不同 不能自由运动 即不能远程迁移 电子松弛极化和电导区别 具有电子松弛极化的介质往往具有电子电导特性 48 一般以TiO2为基础的电容器陶瓷很容易出现弱束缚电子 形成电子松弛极化 含有Nb 5 Ca 2 Ba 2杂质的钛质瓷和以铌 铋氧化物为基础的陶瓷 也具有电子松弛极化 4 电子松弛极化建立的时间约10 2 10 9秒 当电场频率高于109Hz时 这种极化形式就不存在了 3 电子松弛极化主要是折射率大 结构紧密 内电场大和电子电导大的电介质的特性 具有电子松弛极化的介质 其介电常数随频率升高而减小 类似于离子松弛极化 随温度的变化中也有极大值 和离子松弛极化相比 电子松弛极化可能出现异常高的介电系数 49 a 极化是非弹性的 消耗的电场能在复原时不可能收回 b 形成极化所需时间较长 约为10 10 10 2 故其 r与电源频率有较大的关系 频率很高时 偶极子来不及转动 因而其 r减小 c 温度对极性介质的 r有很大的影响 温度过低时 由于分子间联系紧 分子难以转向 r也变小 只有电子式极化 所以极性液体 固体的 r在低温下先随温度的升高而增加 当热运动变得较强烈时 r又随温度的上升而减小 六 转向极化 转向极化主要发生在极性介质中 具有恒定偶极矩 的分子称为极性分子 1 偶极子转向极化 具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下 偶极子发生转向 趋于和外加电场方向一致 与极性分子的热运动达到统计平衡状态 整体表现为宏观偶极矩 2 偶极子极化特点 50 带有正负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中的 偶极子 在外电场作用下发生转向极化 图所示的极化 是由杂质离子在阴离子空位周围跳跃引起 也称为离子跃迁极化 3 离子晶体介质转向极化 离子跃迁极化 51 七 空间电荷极化 1 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 外电场 52 自发极化不是由外加电场引起的 它是由晶体的内部结构造成的 在此类晶体中 每个晶胞里存在固有电矩 此类晶体称为极性晶体 自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中 其时间约为几秒钟到数十分钟 甚至数十余小时 属非弹性极化 有能量损耗 随温度的升高而下降 温度升高 离子运动加剧 离子扩散就很容易 因而空间电荷的积聚就会减小 与电源的频率有关 主要存在于低频至超低频阶段 高频时 因空间电荷来不及移动 就没有或很少有这种极化现象 2 空间电荷极化特点 八 自发极化 53 各种极化形式的综合比较 54 两相存在时 有 1 2及x1 x2 1利用并联电容器模型 X1 1 X2 2利用串联电容器模型 1 x1 1 1 x2 2 1一般情况下为 k x1 1k x2 2k显然 在上式中 当k 1时 为串联模式 k 1时 为并联模式 一般情况下 k介于 1与 1之间 对上式求 的全微分有 k k 1d x1k 1k 1d 1 x2k 2k 1d 2 九 多晶多相无机材料的极化 1 混合物法则 与电导混合类似 当k 0时 有 对其积分得 ln x1ln 1 x2ln 2 适用于介电常数不大的均匀介质 55 假设材料由晶粒和晶界组成 总电导率为 G B分别为晶粒 晶界的电导率 VG VB分别为晶粒 晶界的体积分数 n 0时 总电导率为对数混合 Ln T VGln G VBln B 材料电导的混合法则 n 1串联状态 n 1并联状态 n 0混合状态 56 如电瓷 碱玻璃和高温含钛陶瓷 表现为离子松弛极化的材料 折射率小 结构松散的电介质 如硅酸盐玻璃 绿宝石 堇青石等表现为电子松弛极化的材料 折射率大 结构紧密 内电场大 电子电导大的电介质 如高温含钛陶瓷 2 陶瓷介质的极化 1 主要是电子位移极化的电介质 2 主要是离子位移极化的材料 刚玉 斜顽辉石为基础的陶瓷以及碱性氧化物含量不多的玻璃 3 具有显著离子松弛极化与电子松弛极化的材料 金红石瓷 钙钛矿瓷以及某些含锆陶瓷 57 介电常数的温度系数 采用实验方法求TK t0一般为室温 t为改变后的温度 0 t分别为介质在t0 t时的介电常数 3 介电常数的温度系数 亚硝基苯C6H5NO2的介电常数与温度的关系 58 不同的极化形式下介电系数的温度系数 1 电子式极化 TK 为负 故当温度升高时 介质密度降低 极化强度P也降低 2 离子式极化 TK 为正 3 松弛极化 TK 可为正 亦可为负 在某个温度时 可出现最大值 59 TK 的应用 1 TK 为正 正温度系数 PTC 滤波电路和隔直流的电容器 2 TK 为负 负温度系数 NTC 热补偿电容器 3 TK 接近0值 要求电容量热稳定度高的回路中的电容器和高精度的电子仪器中的电容器 在金红石瓷中加入一定数量的稀土氧化物La2O3 Y2O3等 可降低TK 提高热稳定性 并使 仍然保持较高的数值 电介质的发展方向 介电常数的温度系数接近于零 高的介电常数的电介质 例 三相滤波 热补偿 60 BaTio3多层陶瓷 填充介质是由铷 钐和其它稀有氧化物 聚萘二甲酸乙二醇酯 聚对苯二甲酸乙二醇酯 常用电介质 61 小结 本节主要内容 1 电介质 介电常数2 介质极化 极化参数极化的几种形式3 介电常数的应用 62 63 4 2电介质的损耗 复习 1 什么是电介质极化 2 给出克劳修斯 莫索蒂方程及其适用范围 3 高介电晶体的结构特点 本节内容 1 介质损耗产生的原因 2 介质损耗的表征方法 3 介质损耗的影响因素 63 64 一 介质损耗的产生 1 介质损耗 绝缘材料在电场作用下 由于介质电导和介质极化的滞后效应 在其内部引起的能量损耗 简称介损 能量损耗 转变为其它形式的能 如热能 光能等 电介质加热 电极之间加高频电压 因构成电介质的各个分子发生旋转 振动 碰撞 摩擦等激烈运动 在电介质内部发热 利用电介质发热的加热方式为电介质加热 64 65 电导损耗由漏导电流引起 与自由电荷有关 对电容器施加直流电压 充电电流随时间增加而降到某一恒定的数值 这个电流称为电容器的漏电流 2 介质电导和介质极化的滞后效应 1 介质电导的滞后效应 电导损耗 结论 电导损耗实质是相当于交流 直流电流流过电阻做功 绝缘好的液 固电介质在工作电压下的电导损耗很小 损耗随温度的增加而急剧增加 与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同 65 66 主要是因为在外电场作用下 材料内自由电荷重新分布的结果 介质漏导电流与离子电导陶瓷材料的漏导现象的异同 1 离子电导陶瓷材料的漏导电流 在测量陶瓷电阻时 加上直流电压后 电阻需要经过一定的时间才能稳定 切断电源后 将电极短路 有反向放电电流 并随时间减小到零 随时间变化的这部分电流称为吸收电流 最后恒定的电流称为漏导电流 产生的原因 空间电荷效应 在电场作用下 正负离子分别向负 正极移动 引起介质内各点离子密度变化 并保持在高势垒状态 在介质内部 离子减少 在电极附近离子增加 或在某地方积聚 这样形成自由电荷的积累 称空间电荷 66 67 极化损耗由极化电流引起 介质极化的建立引起电流 与极化松弛等有关 2 介质极化的滞后效应 极化损耗 时间 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗 如偶极子转向极化和空间电荷极化 这种极化损耗能量 极化损耗与温度 电场频率有关 67 68 3 常见介质中的损耗形式 68 69 有关介质的损耗描述方法有多种 哪一种描述方法比较方便 需根据用途而定 二 介质损耗的表征方法 69 70 在交变电场作用下 电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角 功率因数角 的余角 简称介损角 1 介质损耗角 2 介质损耗正切值tg 又称介质损耗因数 是指介质损耗角正切值 简称介损角正切 介质损耗因数的定义如下 70 71 这正是损失角 90 的正切值 因此现在的数字化仪器从本质上讲 是通过测量 或者 得到介损因数 总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成 因此 电流相量 的相量图 和电压相量 71 72 I IC IR i C G U G S d C S d 损耗角正切 72 73 1 复介电常数的含义 原子核外电子云的畸变极化 分子中正 负离子的 相对 位移极化 分子固有电矩的转向极化 电极化的基本过程有三 在外界电场作用下 介质的介电常数 是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量 它是频率 的函数 3 复介电常数 73 74 只当频率为零或频率很低 例如1千赫 时 三种微观过程都参与作用 这时的介电常数 0 对于一定的电介质而言是个常数 通称为介电常数 这也就是静电介电常数 s或低频介电常数 低频极化 74 75 中频极化 随着频率的增加 分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化 这时 介电常数取复数形式 j 其中虚部 代表介质损耗 它是由于电极化过程追随不上外场的变化而引起的 实部随着频率的增加而显著下降 虚部出现峰值 75 76 频率再增加 实部 降至新值 虚部 变为零 这表示分子固有电矩的转向极化已不能响应了 当频率进入到红外区 分子中正 负离子电矩的振动频率与外场发生共振时 实部 先突然增加 随即陡然下降 又出现峰值 过此以后 正 负离子的位移极化亦不起作用了 高频极化 76 77 光频极化 在可见光区 只有电子云的畸变极化在起作用了 这时实部取更小的值 称为光频介电常数 记以 虚部对应于光吸收 光频介电常数 实际上随频率的增加而略有增加 在某些频率时 实部 先突然增加随即陡然下降 与此同时虚部 出现峰值 这对应于电子跃迁的共振吸收 77 78 J i E 复电导率 i J E J i E I IC IR i C G U G S d C S d 复介电常数 2 漏导复介电常数 78 79 复介电常数 i 损耗角正切 和 是依赖于频率的量 介质的损耗由复介电常数的虚部 引起 通常电容电流由实部 引起 相当于实际测得介电常数 79 80 时间 P 理想 介质的弛豫过程 极化强度随时间变化的速率 P0 x0E P1 x1E x0 x1绝对极化系数 是弛豫时间常数 2 极化损耗的复介电常数 80 81 交变电场作用下的P t 为 复极化系数 相对 A 极化损耗复介电常数 81 82 低频或者静态 r 取 0 0 代表静态相对介电常数 频率 r 代表光频相对介电常数 C 0 和 B 极化损耗复介电常数含义 82 83 其中 0 低或静态的相对介电常数 时的相对介电常数 r 0 1 i r 0 1 2 2 r 的实部 r 0 1 2 2 r 的虚部 tg r r D 复介电常数的德拜表达式 83 84 研究了电介质的介电常数 反映介电损耗的 r 所加电场的角频率 及松弛时间 的关系 E 德拜表达式的意义 84 85 1 直流电压下PW IU GU2G为介质的电导 单位为西门子 S 在一定的直流电场下 介质损耗率取决于材料的电导率 4 介质损耗功率 定义单位体积的介质损耗为介质损耗功率p V为介质体积 为纯自由电荷产生的电导率 S m 85 86 2 交流电压下 tg 介质等效电导率 介质损耗只与 tg 有关 tg 仅由介质本身决定 称为损耗因素 r 即为通常测量的 r 则 在高频电压下 1 在低频电压下 1 与 2成正比 r 0 1 2 2 介质损耗不仅与自由电荷的电导有关 还与松弛极化过程有关 外施电压一定时 86 87 1 当外加电场频率很低 即 0时 介质的各种极化都能跟上外加电场的变化 此时不存在极化损耗 介电常数达最大值 介电损耗主要由电导损耗引起 PW和频率无关 tg 则当 0时 tg 随着 的升高 tg 减小 三 介质损耗的影响因素 频率 温度 湿度 1 频率的影响 87 88 2 当外加电场频率逐渐升高时 松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化 松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小 因而 r随 升高而减少 在这一频率范围内 由于 1 故tg 随 升高而增大 同时Pw也增大 88 89 3 当 很高时 r 介电常数仅由位移极化决定 r趋于最小值 此时由于 1 此时tg 随 升高而减小 时 tg 0 89 90 1 当温度很低时 较大 由德拜关系式可知 r较小 tg 也较小 2 温度的影响 在此温度范围内 随温度上升 减小 r tg 和PW上升 温度对松弛极化产生影响 因而P 和tg 与温度关系很大 松弛极化随温度升高而增加 离子间易发生移动 松弛时间常数 减小 90 91 2 当温度较高时 大于Tm 较小 此时 在此温度范围内 随温度上升 减小 tg 减小 PW主要决定于极化过程 PW也随温度上升而减小 91 92 3 当温度继续升高 达到很大值时 离子热运动能量很大 离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍 因而极化减弱 r下降 电导损耗剧烈上升 tg 也随温度上升急剧上升 92 93 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驰极化损耗增加 而使tg 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 增加到10 时 其tg 可增加100倍 3 湿度的影响 93 94 四 压碱效应和双碱效应 一 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应 1 玻璃电导中为什么采用压碱效应和双碱效应 因为玻璃的结构松散 碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络 形成弱联系离子 所以电导会增加 2 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用 减小玻璃电导率 3 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理 指当玻璃中碱金属离子总浓度较大时 占玻璃组成25 30 碱金属离子总浓度相同的情况下 含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小 A 双碱效应 94 95 RK RLi 在外电场的作用下 碱金属离子移动时 Li 离子留下的空位比K 留下的空位小 K 只能通过本身的空位 Li 进入大体积空位 产生应力 不稳定 只能进入同种离子空位较为稳定 大离子不能进入小空位 使通路堵塞 妨碍小离子的运动 相互干扰的结果使电导率大大下降 以K2O Li2O为例 例 95 96 指含碱破璃中加入二价金属氧化物 特别是重金属氧化物 使玻璃的电导率降低 相应的阳离子半径越大 这种效应越强 压碱效应机理 由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固 能嵌入玻璃网络结构 以致堵住了迁移通道 使碱金属离子移动困难 因而电导率降低 结论 一般玻璃相的电导率比晶体相高 因此对介质材料应尽量减少玻璃相的电导 B 压碱效应 96 97 一 玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应 1 玻璃损耗中为什么采用压碱效应和双碱效应 因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后 使离子所在处点阵受到破坏 因此 玻璃中碱性氧化物浓度愈大 玻璃结构就愈疏松 离子就有可能发生移动 造成电导损耗和松弛损耗 使总的损耗增大 2 玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用 减小玻璃损耗 97 98 两种碱性氧化物加入后 在玻璃中形成微晶结构 在碱性氧化物的一定比值下 形成的化合物中 离子与主体结构较强地固定着 实际上不参加引起介质损耗的过程 在离开最佳比值的情况下 一部分碱金属离子位于微晶的外面 即在结构的不紧密处 使介质损耗增大 3 玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理 A 双碱效应 在含碱玻璃中加入二价金属氧化物 特别是重金属氧化物时 压抑效应特别明显 因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来 减少松弛极化作用 因而使tg 降低 B 压碱效应 98 99 电介质损耗用作一种电加热手段 即利用高频电场 一般为0 3 300兆赫 对电介质损耗大的材料 如木材 纸 陶瓷等 进行加热 频率高于300兆赫时 达到微波波段 即为微波加热 家用微波炉即据此原理 五 介电损耗的应用 当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合 应尽量采用介质损耗因数 即电介质损耗角正切tg 它是电介质损耗与该电介质无功功率之比 较低的材料 99 100 总之 介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点 弱束缚电子和弱联系离子 并包括空穴和缺位 移动时 将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围 分子 使电磁场能量转变为 分子 的热振动 能量消耗在使电介质发热效应上 结论 100 101 4 3介电击穿 一 介质的击穿 二 击穿类型 热击穿 电击穿 化学击穿 三 改善击穿的措施 本节内容 复习 1 电介质产生损耗的原因 2 表征电介质损耗的复介电常数的表达式及含义是什么 3 介质损耗的影响因素 101 102 一 介质的击穿 在强电场作用下 电介质丧失电绝缘能力 电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎 称为介电击穿 a 可用击穿效应来破碎非金属矿石等 b 击穿是标志电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力 是决定电力设备 电子元器件最终使用寿命的重要因素 1 介电击穿 102 103 3 介电强度 2 击穿电压 导致击穿的最低临界电压称为击穿电压 电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强 即介电强度Ec 是绝缘性能好坏的一个重要标志 均匀电场介电强度 击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度 简称击穿场强 又称介电强度 它反映固体电介质自身的耐电强度 不均匀电场介电强度 击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场强 它低于均匀电场中固体电介质的介电强度 103 104 在电场作用下 固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿 但因电介质内部热量积累 温度过高而导致失去绝缘能力 从而由绝缘状态突变为良导电状态 一 固体电介质的热击穿 1 热击穿的本质 发生在高频 高压下 热击穿的核心问题是散热问题 二 固体电介质的击穿类型及影响因素 热击穿 电击穿和电化学击穿 104 105 Q1 单位时间内固体电介质的发热量Q2 单位时间内固体电介质的散热量E3 Ec E1 2 热击穿过程 固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗而发热 A 外加电场为E3 Ec固体电介质中的发热量Q1大于散热量Q2 介质温度上升 且因Q1始终大于Q2 所以固体电介质的温度不断上升 最终介质被烧焦 烧熔 或烧裂 丧失绝缘性能 发生热击穿 105 106 B 外加电场为E1Q2 固体电介质温度上升 但当温度度升到Tc时 发热量与散热量相等 建立起了热平衡 此时 若介质能耐受温度Tc的作用 则固体电介质能正常工作 不会发生热击穿 C 外加电压为等于Ec当介质温度升到Tc时 建立起了热平衡 但不稳定 温度略有升高 发热量Q1即大于散热量Q2 最终仍然发生热击穿 电场强度Ec是发生热击穿的临界场强Ec 介质中发热与散热平衡关系示意图 106 107 A B是与材料有关的常数 1 热击穿电压随环境温度升高而降低 2 热击穿电压大致不随介质的厚度变化 1 温度不均匀的厚膜介质 2 温度均匀薄膜介质 e为自然对数的底 Uc随试样厚度的平方根而变化 3 热击穿电压 107 108 电击穿是介质在强电场作用下 被击发出自由电子而引起 电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量 若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量 则电子继续被加速而积累起相当大的动能 足以在电介质内部产生碰撞电离 形成电子雪崩现象 结果电导急剧上升 最后导致击穿 二 固体介质的电击穿 电击穿取决于固体电介质中碰撞电离的一种击穿形式 电场使电介质中积聚起足够数量和足够能量的自由电子 导致电介质丧失绝缘性能 1 电击穿的本质 E 108 109 1 外加电场为E2 Ec一部分传导电子的能量处于W2 Wc之间 单位时间内这些电子取得的能量A始终大于失去的能量B 电子被加速 碰撞晶格时产生电离 使处于导带的电子不断增加 电流急剧上升 最终导致固体电介质击穿 2 外加电场为E1B而使晶格发生碰撞电离 产生新的传导电子 但因电子能量大于W1的概率很低 所以传导电子不断增多的过程很难出现 固体电介质不会击穿 A B与W的关系E2 Ec E1 晶格温度T为定值 介电强度 处于临界状态的Ec即为固体电介质的介电强度 A 单位时间内这些电子取得的能量B 单位时间内传导电子失去的能量E 电场强度W 电子本身能量T 晶格温度 2 电击穿的过程 109 110 3 击穿场强 多发生在温度较低 电压作用时间较短时 纯净 均匀固体电介质中 当电场上升到使平衡破坏时 碰撞电离过程便立即发生 把这一起始场强作为介质电击穿场强的理论即为本征击穿理论 A 本征电击穿理论 本征电击穿场强 随温度升高而降低 温度 110 111 1 雪崩 电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值 足以破坏介质绝缘状态 作为电击穿判据 2 Seitz提出以电子 崩 传递给介质的能量足以破坏介质晶体结构作为击穿判据 B 雪崩 电击穿理论 电击穿判据 本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破坏后突然发生的 而 雪崩 击穿是考虑到高场强时 导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度 最终介质晶格破坏 雪崩 电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别 111 112 四十代理论 从阴极出发的电子 一方面进行 雪崩 倍增 另一方面向阳极运动 由阴极出发的初始电子 在其向阳极运动的过程中 1cm内的电离次数达到40次 介质便击穿 一般用来说明 雪崩 击穿的形成 并称之为 四十代理论 由 四十代理论 可以推断 当介质很薄时 碰撞电离不足以发展到四十代 电子崩已进入阳极复合 此时介质不能击穿 即这时的介质击穿场强将要提高 112 113 在电场 温度等因素作用下 固体电介质因缓慢的化学变化 而引起其电气性能逐渐劣化 最终由绝缘状态突变为良导体状态的过程 三 电化学击穿 包括两部分 因固体电介质发生化学变化而引起的电介质老化 与老化有关的击穿过程 2 电化学击穿过程 1 电化学击穿本质 电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应 113 114 1 直流电压下 固体电介质因离子电导而发生电解 结果在电极附近形成导电的金属树状物 甚至从一个电极伸展到另一个电极 结果在两电极间构成导电的通路2 在电场作用下 固体电介质内部的气泡中 或不同固体电介质之间的气隙或油隙中 会发生局部放电 造成局部电导增加而出现局部击穿 并逐渐扩展成完全击穿 化学老化击穿过程 与离子电导陶瓷的电化学老化的异同 温度越高 电压作用时间越长 化学形成的击穿也越容易发生 温度 E e e e 114 115 1 阳离子 阳离子电导参加导电的为阳离子 同时电极的Ag 也能参与漏导 最后两种离子在阴极处都被电子中和 形成新物质 2 阴离子 阳离子电导参加导电的既有正离子 也有负离子 它们分别在阴极 阳极被中和 形成新物质 离子陶瓷材料的电化学老化现象 指在电场作用下 由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化 电化学老化的原因 离子在电极附近发生氧化还原过程 115 116 3 电子 阳离于电导参加导电的为一种阳离子 还有电子 例如含钛陶瓷 阳离子Ti4 发生电还原过程Ti4 e Ti3 4 电子 阴离子电导参加导电的为一种阴离子 还有电子 例如TiO2在高温下发生缺氧过程 在高温下 氧离子在阳极放出氧气和电子 在阴极Ti4 被还原成Ti3 阴极4Ti4 4e 4Ti3 阳极2O2 O2 4e 介质中的离子至少有一种参加电导 如果电导纯属电子 则电化学者化不可能发生 电化学老化的必要条件 116 117 同一种电介质中发生何种形式的击穿 取决于不同的外界因素 随着击穿过程中固固体电介质内部的变化 击穿过程可以从一种形式转为另一种形式 三 影响击穿的因素 温度 117 118 根据固体电介质的击穿形式及影响击穿电压的因素 提高固体电介质击穿电压的主要措施有 改善电场电场分布 如电极边缘的固体电介质表面涂半导电漆 调整多层绝缘中各层电介质所承受的电压 对多孔性 纤维性材料晶干燥后浸油 浸漆 以防止吸潮 提高局部放电起始电压 加强冷却 提高热击穿电压 改善环境条件 防止高温 避免潮气 臭氧等有害物质的侵蚀 四 提高击穿电压措施 118 119 一 铁电体 铁电体的特点二 铁电体的居里外斯定律三 铁电性的特点 本节内容 复习 1 介电击穿的类型2 影响介电击穿的因素 4 4铁电性 119 120 1 铁电体是非线性介质 即极化强度和外施电压的关系是非线性的 一 铁电体 没有外加电场时 介质的极化强度等于零 有外电场时 介质的极化强度与宏观电场E成正比 备注 线性介质 是一类特殊的电介质材料 在一定温度范围内含有能自发极化 并且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体 1 铁电体的特点 120 121 即其极化状态并非由外电场所引起 而是由晶体内部结构特点所引起 晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩 2 铁电体是极性晶体 注意 铁电晶体一定是极性晶体 但并非所有的极性晶体都是铁电体 121 122 3 铁电体的极化是自发极化 第二类是有序 无序型 其自发极化同个别离子的有序化相联系 典型的有序 无序型晶体是含有氢键的晶体 这类晶体中质子的有序化运动引起自发极化 例如KH2PO4晶体 该晶体具有铁电体的特征 A 按相转变的自发极化机构铁电体分两类 第一类是位移型 其自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系 位移型铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关 钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体 122 123 铁电体 123 124 例1 由位移引起的自发极化 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置 使单位晶胞中出现了偶极矩 偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来 同时晶体结构发生了畸变 钛酸钡的结构 钙钛矿型结构 其自发极化的出现主要是晶体中原子 离子 位置变化的结果 B 铁电体的自发极化的机制 124 125 极化前晶体结构 等轴晶系 大于120oC 晶胞常数 a 4 01A氧离子的半径 1 32A钛离子的半径 0 64钛离子处于氧八面体中 两个氧离子间的空隙为 4 01 2 1 32 1 37钛离子的直径 2 0 64 1 28 钛酸钡的结构 钙钛矿型结构 自发极化过程 氧八面体空腔体积大于钛离子体积 给钛离子位移的余地 较高温度时 热振动能比较大 钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来 接近六个氧离子的几率相等 晶体保持高的对称性 自发极化为零 125 126 温度降低到120 低于距离温度 钛离子平均热振动能降低 因热涨落 热振动能特别低的离子占很大比例 其能量不足以克服氧离子电场作用 有可能向某一个氧离子靠近 在新平衡位置上固定下来 并使这一氧离子出现强烈极化 发生自发极化 使晶体顺着这个方向延长 晶胞发生轻微畸变 由立方变为四方晶体 126 127 纤锌矿 ZnS 结构在 010 上投影 表示晶体极性链的两种方法 例2 具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构 固有偶极子 正电荷层与负电荷层交替排列 127 128 4 铁电体具有铁电性 在一些电介质晶体中 晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩 产生不等于零的电极化强度 使晶体具有自发极化 晶体的这种性质叫铁电性 ferroelectricity 当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时 相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴 并出现铁电性 相间反向排列而成为反铁电性 与铁磁体的磁滞回线形状类似 所以人们把这类晶体称为铁电体 其实晶体中并不含有铁 128 129 在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体 顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点TC 当T TC时 铁电相转变为顺电相 电滞回线消失 这时P与E一般有线性关系P 0 E 并且介电常数服从居里外斯定律 C为居里常数 为特征温度 代表电子位移极化对介电常数的贡献 二 铁电体的居里外斯定律 居里点附近居里外斯定律为 忽略 129 130 指铁电体的微观结构性质 以及因此而可能显示出来的宏观性质 电滞回线 电畴结构 自发极化以及相应的晶胞形变 自发应变 居里点 居里外斯定律等 一 铁电性几个重要特征 1 铁电畴 铁电体自发极化的方向不相同 但在一个小区域内 各晶胞的自发极化方向相同 这个小区域就称为铁电畴 ferroelectricdomains 两畴之间的界壁称为畴壁 若两个电畴的自发极化方向互成90 则其畴壁叫90 畴壁 此外 还有180 畴壁等 三 铁电体的铁电性 180 和90 畴 1 铁电畴的形成 130 131 与晶体结构有关 BaTiO 的铁电相晶体结构有四方 斜方 菱形三种晶系 它们的自发极化方向分别沿 001 011 111 方向 这样 除了90 和180 畴壁外 在斜方晶系中还有60 和120 畴壁 在菱形晶系中还有71 109 畴壁 2 电畴取向 131 132 无外加电场时 电畴在晶体中分布杂乱无章 使整个晶体表现为电中性 宏观上无极性 外电场作用时