3.1 介质的极化

1 第三章材料的介电性能 3 1介质的极化 2 3 1介质的极化 电介质 在电场作用下 能建立极化的一切物质 通常是指电阻率大于1010 cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质 陶瓷电介质的主要应用 电子电路中的电容元件 电绝缘体 谐振器 某些具有特殊性能的材料 如 具有压电效应 铁电效应 热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声 电光等技术领域有着广泛的应用 电介质的主要性能 介电常数 介电损耗因子 介电强度 目前的发展方向 新型器件的研制 提高使用频率范围 扩大环境条件范围 特别是温度范围 3 本小节内容 极化现象及其物理量介质的极化机制 4 一 极化现象及其物理量 1 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象 3 1介质的极化 自由电荷 偶极子 束缚电荷 5 电极化 在外电场作用下 介质内的质点 原子 分子 离子 正负电荷重心的分离 使其转变成偶极子的过程 或在外电场作用下 正 负电荷尽管可以逆向移动 但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流 只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程 偶极子 构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动 形成一个偶极子 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 与外电场方向一致 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 介质的极化强度P P V 单位介质体积内的电偶极矩总和 或束缚电荷的面密度 2 物理量 6 3 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系 两块金属板间为真空时 板上的电荷与所施加的电压成正比 Qo CoV两板间放入绝缘材料时 施加电压不变电荷增加了Q1 有 Qo Q1 CV相对介电常数 r 电介质引起电容量增加的比例 r C Co Qo Q1 Qo 电介质提高电容量的原因 由于质点的极化作用 在材料表面感应了异性电荷 它们束缚住板上一部分电荷 抵消 中和 了这部分电荷的作用 在同一电压下 增加了电容量 结果 材料越易极化 材料表面感应异性电荷越多 束缚电荷也越多 电容量越大 相应电容器的尺寸可减小 7 极板上自由电荷密度 Qo A CoV A oA d V A oE E 两极板间自由电荷形成的电场 也即宏观电场 介电材料存在时极板上电荷密度D等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和 由 D Qo Q1 A和 r Qo Q1 Qo 得 D rQo A r oE同时 D oE P o rE E 绝对介电常数 P o E o r 1 E电介质的电极化率 束缚电荷和自由电荷的比例 P oE r 1 得 P o E 作用物理量与感应物理量间的关系 8 一些陶瓷 玻璃和聚合物在室温下的相对介电常数 9 二 介质的极化机制 3 1介质的极化 极化的基本形式 第一种 位移极化 弹性的 瞬间完成的 不消耗能量的极化 如电子位移极化 离子位移极化 第二种 松弛极化 该极化与热运动有关 其完成需要一定的时间 且是非弹性的 需要消耗一定的能量 如电子松弛极化 离子松弛极化 介质的总极化一般包括四个部分 电子极化 离子极化 偶极子转向极化和空间电荷极化 10 在电场作用下 构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移 形成感应电矩而使介质极化的现象称为电子位移极化 1 电子位移极化 电子位移极化是在原子和离子内部发生的可逆变化 极化建立时间约为10 14 10 16秒 通常不以热的形式耗散能量 不导致介电损耗 11 离子晶体中 无电场作用时 离子处于正常结点位置并对外保持电中性 但在电场作用下 正负离子产生相对位移 破坏了原先呈电中性分布的状态 电荷重新分布 相当于从中性分子转变为偶极子 2 离子位移极化 离子位移极化所需时间大约为10 12 10 13秒 不以热的形式耗散能量 不导致介电损耗 12 松弛质点 材料中存在着弱联系的电子 离子和偶极子 松弛极化 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 松弛极化的特点 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 松弛极化包括 电子松弛极化和离子松弛极化 3 松弛 或弛豫 极化 13 1 离子松弛极化 晶格缺陷和玻璃相中存在很多的弱束缚离子 这些离子容易活化迁移 在热运动过程中 不断从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置 离于松弛极化的迁移与离子电导不同 离于电导是离子作远程迁移 而离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移 它只能在结构松散区或缺陷区附近移动 需要越过势垒U松或U 松 由于U松 U导电 所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率 无外电场作用时 这些离子向各个方向迁移的概率相等 陶瓷介质不呈现宏观电极性 在外电场作用下 这些离子向电场方向和反电场方向迁移的概率增大 在一个或几个离子范围内作定向运动 以致内部电荷分布不均匀 而引起极化 使陶瓷介质呈现宏观电极性 14 一方面 温度升高 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 热运动的影响增强 使 降低 所以在适当温度下 有极大值 离子松弛极化与离子电导势垒 U松 结点上离子迁移需克服的势垒 U 松 填隙离子迁移需克服的势垒 温度的影响 15 离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级 可导致材料大的介电常数 由于离子松弛极化的建立需要一定的时间 长达10 2 10 5秒 所以介质的频率小时 作用大 因此在无线电频率下 106Hz 离子松弛极化来不及建立 因而介电常数随频率升高明显下降 16 由于晶格的热振动 晶格缺陷 杂质引入 化学成分局部改变等因素 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 电介质在外电场作用下 其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动 造成电荷分布不均匀 形成极化状态 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 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 同样 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常数 2 电子松弛极化 17 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 4 偶极子转向极化 18 偶极子转向极化的特点 极化是非弹性的 消耗的电场能在复原时不可能收回 形成极化所需时间较长 约为10 2 10 10秒 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 极化率较高 比电子极化率 离子极化率 10 40F m2 高得多 约为10 38F m2左右 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 例如液体介质的粘度很大 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 19 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 自由电荷积聚 形成空间电荷极化 由于空间电荷的积聚 可形成很高的与外电场方向相反的电场 因此这种极化有时称为高压式极化 5 空间电荷极化 或界