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电介质分类及极化 1 电介质基本概念 电介质 在电场作用下 束缚电荷起主要作用的物质 称电介质 电介质的特征 以正负电荷重心不重合的电极化方式传递 存储或记录电的作用和影响 电介质物理研究对象 研究电介质内部束缚电荷在电场 包括电频电场和光频电场 作用下的电极化过程 阐明其电极化规律与介质结构的关系 揭示其宏观介电性质的微观机制 进而发展电介质的效用 电介质分类 分类 极性电介质和非极性电介质绝缘电介质和功能电介质基本任务 电介质的极化和弛豫是电介质物理的基本研究课题 主要内容 电介质的极化电介质的损耗电介质的电导电介质的击穿 绝缘体的四大性质 电介质性质介质极化 相对介电常数 介质在电场中电荷重心重新分布 对外显电性 介质损耗 介质损耗角或其正切值 当施加交流电时 物质内部电荷往复运动 吸收电源能量 发热 电气绝缘性质导电性 电阻率或电导率 加压后有微小电流导通 绝缘击穿 击穿电压或击穿强度 达到某电压时电流急剧增大 绝缘体变为导体 电介质的分类 非极性电介质 在无外场的作用时 分子正 负电荷中心重合 固分子的电偶极矩等于零 由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质或中性电介质 特点 一般具有对称的化学结构 如单原子分子 He Ne Ar Ke Ar 相同原子组成的双原子结构 H2 N2 Cl2 以及对称结构的多原子分子 CO2 C6H6 CCl4 介电常数不大 2 0 2 5 体积电阻率高 具有化学惰性 性能稳定 2 极性电介质 分子正 负电荷中心不重合 即分子具有偶极矩 称为分子的固有偶极矩 由极性分子组成的电介质称为极性电介质 介电常数比非极性电介质的高 2 6 80 体积电阻率比非极性电介质的低 分类 弱极性电介质 0 0 5D中极性电介质 0 5D 0 1 5D强极性电介质 0 1 5D 1D 德拜 3 33 10 30C m 特点 分子的化学结构不对称 如水分子结构 3 离子性电介质电介质 通常由正负离子组成 存在于介质中的是离子 属于这一类的有离子型晶体电介质 如碱卤晶体 石英 云母 玻璃 陶瓷以及其他一些无机电介质 这类电介质的介电常数较大 且变化范围很大 4 5 100以上 具有较高的机械强度 例一电偶极子的电场 电偶极子 相距很近的等量异号电荷 电偶极矩 是由电介质极化 电磁波的发射 接收 中性原子间相互作用 总结出的理想模型 无论哪一种电介质 在外电场的作用下 均会产生极化 这是电介质在电场作用下的一个基本特性 电介质的极化 在外电场作用下 电介质内部沿电场方向出现宏观电偶极矩 在电介质表面出现束缚电荷 这就是电介质的极化 电偶极子 由等量正 负电荷不对称而形成电偶极矩的分子 电介质的极化 表征电偶极子性质的物理量 单位 D 德拜 电偶极矩 1D 德拜 3 33 10 30C m 电介质的极化 位移极化 正 负电荷中心拉开 形成电偶极子 2 转向极化 电偶极子在外场作用下发生转向 例如 平行板电容器 当极板间充以非极性电介质时 在无外电场作用下时 非极性介质分子的正负电荷中心重合 分子偶极矩等于零 在外电场作用下 由于分子内的正负电荷彼此强烈地束缚着 围绕原子核的电子云相对原子核发生弹性位移而形成偶极矩 该偶极矩是在外电场作用下感应产生的 随着外电场的移去而消失 故称为感应偶极矩 于是在电介质内部形成沿电场方向的感应偶极矩 在电介质表面上 出现极化电荷 与极板上的自由电荷相比 极化电荷不能自由移动 故又称为束缚电荷 且极性相反 平行板电容器 当极板间充以极性电介质时 即使无外电场作用 极性分子的正负电荷中心是不重合的 即分子具有固有偶极矩 但由于分子不规则的热运动 分子在各个方向运动的几率是相等的 因此 就介质的整体来看 介质的宏观偶极矩等于零 加上外电场 除了分子正负电荷中心的相对弹性位移以外 每个分子都要受到电场力矩的作用 趋于转向外电场方向 但由于分子的热运动以及分子之间的相互作用 并不能使所有分子都沿外电场方向整齐地排列起来 就介质的整体来看 这是介质内部沿电场方向的电矩不等于零 在介质表面也出现束缚电荷 极化强度 电介质的极化强度用极化强度来表征 极化强度 单位体积电介质内沿电场方向的电偶极矩总和 由于极化强度是介质小体积内大量分子沿电场方向感应偶极矩的平均值 所以P是一个宏观量 它的大小与外电场有关系 各向同性的线性介质中 各点极化强度与宏观电场成正比 此式是建立电介质极化的宏观 微观联系的重要公式 电介质在外电场的作用下 一方面内部感应偶极矩 另一方面 在表面感应束缚电荷 显然 表面束缚电荷的大小也表征了电介质在电场作用下极化的程度 那么极化强度P与感应的表面束缚电荷间有什么关系吗 L S V E 设在均匀介质中 取一小圆柱体如图所示 圆柱体轴线与外加电场强度E的方向平行 两底面的法线n与E成 角 另一方面 从极化强度的定义来看 圆柱体的偶极矩等于极化强度P与圆柱体体积的乘积 圆柱体的偶极矩等于一个底面积上的电荷与负电荷底面到正电荷底面的距离矢量的乘积 为极化强度在面法线方向的分量 上式表明电介质表面某处束缚电荷面密度在数值上等于该处极化强度矢量在该面法线方向的分量 附 电容器的电容 1 电容器 被电介质分隔开的两个相距较近的导体组成的系统 2 电容器的电容 电容C的大小仅与导体的形状 相对位置 其间的电介质有关 是一个由电容器自身特性确定的常量 与所带电荷量及两极板之间的电势差无关 式中Q为电容器所带电荷 U为两极板间的电势差 几种电容器的电容 平板电容器 两带电板间的电场强度为 设两极板分别带电荷量为 两带电极板间的电势差为 平板电容器电容为 电介质极化的过程 就是使分子偶极子的极矩增大或有一定的取向的过程 为电介质的相对介电常数 电介质极化过程与物质结构密切相关 电介质极化的三个过程 电子位移极化 原子核外电子云的畸变极化 离子位移极化 分子中正负离子的相对位移极化 转向极化 分子固有电矩的转向极化 电介质的微观极化机制 极化强度 P E 电场的高次项第一项正比于电场 是最重要的部分 是介质的极化率 高次项称之为超极化 反应介电响应的非线性型 电介质的极化强度是电子位移极化 离子位移极化和固有偶极矩取向极化三种极化机制的贡献 在外场作用下 相对介电常数 是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量 弛豫时间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 电子位移极化和离子位移极化的弛豫时间很短 取向极化的弛豫时间较长 所以极化弛豫主要是取向极化造成的 3静电场中的极化强度极化强度起因于稳恒电场作用下 电荷的有限位移 1 取向极化强度 在非极性液体介质中自由漂浮的固有偶极子取向极化率 orien的导出 电场中偶极子示意图 E Q Q P 用dN代表固有偶极矩 与电场E的夹角介于 d 之间的分子数 按照统计物理有 其中A为比例系数 k为玻尔兹曼常数 k 1 38 10 16尔格 度 此dN个分子的固有偶极矩在电场方向的分量为 可得 其中L 称之为朗之万 Langevin 函数 朗之万 Langevin 函数 LangevinfunctionL 考虑三种情况 a 当 1时 即电场很强 温度很低时 这表明电场E很大 温度T很低时 固有偶极矩几乎完全转到电场方向 所以固有偶极矩在电场方向的平均值等于固有偶极矩 b 当 1时 即 E kT时 这表明当 E kT时 固有偶极矩在电场方向上的分量平均值与电场E成正比 与温度T成反比 电场增大 也增大 温度升高 则减小 c 朗之万函数L 与 的关系示意图 当 1时 L 1 当 1时 L 的斜率为1 3 得取向极化率 orien为 在零频下介质的极化率 2 分子极化率 感应偶极矩电子位移极化和离子位移极化对介质总的极化率有贡献 Nd和Nm分别表示固有偶极子和感应偶极子的数目 3 跳跃电荷载流子极化 缺陷极化 下图是一个具有缺陷的晶格示意图 其中杂质离子取代了晶格结点上的一个离子 由于价数不同而在该点上形成一个正电荷的空间电荷 空间电荷是束缚在晶体缺陷上的 因而不是自由电荷 由于这个正电荷的库仑作用 容易吸附另一个负离子作为填隙离子 并束缚在附近 形成一个有几个可能取向的电偶极子 电矩在外电场中的方向改变实际上杂质离子的 hopping 运动 即由一个填隙位置跳到另一个填隙位置 在跳跃过程中要克服一定的势垒 跳跃 hopping 载流子极化的双势阱模型 这种跳跃可以是与热运动有关的跳跃越过势垒 或隧穿过势垒 双势阱有内部的势垒和外部一定高度的阱壁 这表示载流子逃离的可能性很小 缺陷偶极子在电场方向的平均偶极矩 当电场不太高 温度不太低 与自由点偶极子的Langerin函数相同 得到取向极化率 第三节洛伦次兹有效电场和克劳休斯 莫索缔方程 克劳休斯 莫索缔 Clausius Mossotti 方程 昂沙格 Onsager 方程 4时域中的介电响应 设在时间间隔u到u du之间 对介质施加强度为E u 的脉冲电场 产生的电位移可以分为两部分 一部分是它随电场瞬时变化 用光频电容 表示 另一部分则由于极化的惯性而在时t u du是继续存在 如果在不同的时间有几个脉冲电场 则总的电位移为各脉冲电场产生的电位移的叠加