第七章--电解质材料和绝缘.ppt

Fig7.9,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),(a)ANaClchainintheNaClcrystalwithoutanappliedfield.Averageornetdipolemomentperioniszero.(b)Inthepresenceofanappliedfieldtheionsbecomeslightlydisplacedwhichleadstoanetaveragedipolemomentperion.,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),和电子极化相似，原子的正负电荷中心被分开，也如同连在弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同样也存在一个固有振动频率，被称为离子极化共振频率。,补充p598的评述,固有电矩的取向极化：某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。在无外电场时，由于热运动，这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用，趋于同外场平行，即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。,7.3.2取向极化,5,施加电场时，偶极矩有沿电场方向定向的趋势。但由于热运动的作用，并非所有分子偶极矩都能沿着电场方向定向。实际上，p的方向仍然是混乱的，但沿电场方向分布几率较大，因而，出现宏观剩余电矩。这种极化方式称为偶极转向极化。,极性介质的转向极化,3.极性介质的转向极化,极性分子特点：每一分子具有一定的电偶极矩p。无外电场作用时，空间各个方向具有相同的分布几率，平均宏观电矩为零。,Fig7.10,7,对于极性介质分子偶极矩相互联系较弱的情况，偶极矩可看作是处于可以自由运动状态，此时阻止偶极矩定向的因素是热运动。这种情况在极性气体、液体和固体中都可能存在。,极性介质的转向极化,热转向极化,从分子热运动的玻尔兹曼能量分布出发，可得到偶极矩在电场方向分量的平均值随内电场的变化：,则，分子热转向极化率：,适用于极性气体，被非极性液体高度稀释的极性液体。,千克分子极化：,N0阿佛加德罗常数，值为6.023x1028(1/千克分子),光频下r=n2，可得洛仑兹-洛仑斯方程：,千克分子折射：,以上两个方程是由莫索缔内电场得到，故其适用范围与莫索缔内电场相同。,9,极性气体情况下，气体密度很小，分子之间的距离较大，相邻分子之间的影响可以忽略。近似的认为E2=0，克-莫方程有效。分子极化率应包含电子位移极化和热转向极化。,在极性气体介质上施加电场（E105伏/米）的情况下，得到,极性介质的转向极化,与热运动有关的极化方式建立需较长的时间10-2-10-12秒,德拜方程,界面极化：由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质的介电性能。,Fig7.11,FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005),7.3.4总极化,电子位移极化:介质中的原子,分子或离子中的电子在外电场的作用下,使电子轨道相对于原子核发生位移,从而产生感应电矩的过程.离子位移极化:在由离子结合的电介质内,外电场的作用使正负离子产生微小位移,平均地具有了电场方向的偶极矩,这种极化形式称为离子位移极化.转向极化:又称取向极化,对于偶极性分子,在无外电场作用下,偶极性分子处于热运动状态,对外不具有偶极矩.外电场作用下,偶极性分子在电场方向取向概率增加,对外平均具有了电场方向的偶极矩,称为转向极性.空间电荷极化:介质内的自由正负离子在电场作用下移动,改变分布状况,在电极附近形成空间电荷,称为空间电荷极化.,2.电介质的介电常数电介质的介电常数的特性电工术语上称作介电常数和相对介电常数r并不是常数随温度、频率而变化是一虚数，分实部和虚部通常使用的是实数部分,气体电介质的介电常数:气体分子间距离很大,密度很小,气体的极化率很低,因此气体的相对介电常数都接近1.气体介电常数随温度升高而减小,随压力增大而变大,但是变化很小.,液体电介质的介电常数,分为:非极性和弱极性电介质,相对介电常数较小:1.82.8偶极性电介质,相对介电常数较大:380,固体电介质的介电常数,分为:非极性和弱极性固体电介质,只有电子式极化和离子式极化,相对介电常数较小:2.02.7,固体电介质的介电常数,分为:偶极性固体电介质.相对介电常数较大:36离子性电介质,相对介电常数较大:58,3.讨论极化的意义选择绝缘：在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r。对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择r较小的介质多层介质的合理配合：对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r成反比，