介质的电极化响应.ppt

铁电原理，电介质材料的研究进展，电介质的唯象理论，导论，电介质的电极响应，电介质中的电荷转移，电介质物理学，5.1概述，电介质的电极固体电介质物理学，电介质：在电场下能建立极化的所有物质。通常指电阻率大于1010cm的一类物质，它们在电场中通过感应而不是传导表现出电特性。电介质的主要特性：介电常数、电导、介电损耗因子、介电强度。根据极板的形状，普通电容器包括平行板电容器、球形电容器和圆柱形电容器。根据电介质，有真空电容器，空气电容器，云母电容器，陶瓷电容器，根据它们的电容，可变电容器和固定电容器。几种常见电介质的相对介电常数分为无机电介质和有机电介质。根据物质的聚集状态，电介质可分为气态电介质、液态电介质和固态电介质。物质原子排列的有序分类：电介质可分为晶态电介质和非晶态电介质。根据介质电荷的空间分布，它分为极性介质和非极性(中性)介质。根据电介质成分的均匀性，电介质可以分为均匀电介质和非均匀电介质。电介质是保密的。陶瓷介质主要应用于电子电路中的电容元件、电绝缘体和谐振器。一些具有特殊性质的材料，如具有压电效应、铁电效应和热释电效应等特殊功能的介电材料，在电声、电光等技术领域有着广阔的应用前景。典型的半导体例如碘化锑(SbSI)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(氧化锌)、硫化镉(硫化镉)等也可以被分类为特殊类型的电介质：极性电介质压电半导体；在高频电场的作用下，即使是薄金属层也可视为高损耗电介质。此外，当温度足够高时，半导体和电介质变成导体。因此，物质电学性质的这种分类是相对的，取决于特定的条件。与有机材料相比，无机材料：更便宜，更容易制作更精确的尺寸。无机材料：具有优异的电气性能。在室温应力作用下，没有蠕变或变形。具有更强的抵抗环境变化的能力(特别是在高温下，塑料经常氧化、气化或分解)；可以用金属密封，成为电子设备不可缺少的一部分。当前的发展方向：研发新设备，增加使用频率范围，扩大环境条件范围，特别是温度范围。近年来，来电媒体的研究有了很大的发展。具有特殊性能的新型介电材料不断被发现和制造。电介质的应用不仅局限于绝缘和能量存储，还涉及到广泛的领域，例如能量转换、热电检测、电光调制、非线性光学、光学信息存储和实时处理。电介质已经成为完成和执行特殊功能的重要材料。5.2电介质极化响应，基本概念电介质微极化机制有效场电介质弛豫共振吸收和色散，1，基本概念，1，电位移和极化，2，宏观物质中的电磁运动，3，交变电场中的电介质损耗，电介质损耗形式，电场作用下的电介质，内部通过电流有以下内容：电容电流：样品的几何电容充电引起的电流(位移电流)；电介质极化的建立引起电流：它与极化弛豫等有关。介质电导(泄漏)引起的电流：与自由电荷有关。能量损耗：弛豫极化损耗、电导率损耗、离子变形和振动损耗、交流电场中的3种介质损耗、损耗因子、真空中平行板电容器两极施加的交流电压v=voeit、电容器上的电流与外部电压相差90o。通过q=covv=q/co=IDT/coi=codv/dt电容电流：填充非极性完全绝缘材料的Io=iCoV双极板，电容上的电流：I=icv=ircov=rio，如果介质的电导率较低，则存在一个小电流(I=icvgv ),其相位与通过的外加电压v，icv相同，假设电导g仅由自由电荷产生，g=s/d，并且由于电容：c=ls/d， 电流密度：j=(il) e=* e=il * e，复数电导率的定义：*=il复数介电常数的定义：l *=*/I=l-I/损耗角的定义：tg=损耗项/获得的电容项=/l:=ltg(ltg仅与介质有关)损耗因子：ltg(其大小用作绝缘材料的标准)、介电弛豫或弛豫、和、理想电介质、实际电介质、v、q、I、v、q、I、电荷累积和电流并且偏振强度随时间的变化率与其最终值和某一时间的实际值之间的差值有关，如下所示：D(铂-珀)/德=(铂-珀)-(铂-珀)/铂-珀=(铂-珀)(1-电子-时间/)，R()=(0)-(1i)R=(0)-(122)(R()的实部)R=(0)-(122)(R()的虚部)TG=r/r，其中德拜公式：考虑到自由电荷和束缚电荷的弛豫对介电常数的影响，复介电常数的一般表达式：l *=l-il: TG=l/l具有：=ltg=ltg=l(=l介质的等效电导率)，(1)具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象，1)极化现象及其物理量，2)电介质的微观极化机理，在电场作用下，电介质中存在“电荷”,这降低了电容中的总场强，减小了电位差，增加了电容；电介质表面的这种电荷只能在分子范围内移动，与电介质是分不开的，称为极化电荷或束缚电荷。电介质在外部电场的作用下，其表面甚至内部出现极化电荷现象，称为电介质极化。单位面板上的束缚电荷(极化电荷密度)的值可以用单位体积材料中的总偶极矩来表示，即极化强度p。设n为体积v中的偶极矩数，电偶极矩等于两个不同的电荷q乘以间距d，然后：p=n/v=qd/v=q/a，p， (3)介质的极化强度和宏观可测性之间的关系，以及极板上的自由电荷密度：Qo/a=cov/a=(OA/d)v/a=OE(e)-由两个极板之间的自由电荷形成的电场。 即宏观电场)极板上的电荷密度D:等于在电介质材料存在下的自由电荷密度和束缚电荷密度之和：r=(qo Q1)/qo:rqo/a=(qo Q1)/a has:roe=(qo Q1)/a=DD=OEP=ore=1e(l-绝对介电常数)p=(1-o)e=o(r-1)e电介质的极化比e:束缚电荷与自由电荷之比，e=p/OE=(r-1)极化机制，极化的基本形式：位移极化弹性、瞬时、非耗能极化。非位移极化这种极化与热运动有关，热运动需要一定的时间来完成，是非弹性的，并且消耗一定的能量。(2)离子位移极化，离子位移极化：在电场作用下，离子从平衡位置偏移而引起的极化。在交变电场的作用下，电场中离子的运动被假定为弹簧振子。感应电偶极矩是：=q (x-=q(x -x-)=iEloc.对正离子的弹性恢复力：-k (x-x-)对负离子的弹性恢复力：-k (x-x)运动方程：ma=-k(x-x-)qeoeitm-a=-k(x-x)qeoeit:M *=M-/(M-)弹性振子的固有频率：o=(k/m *) 1/2离子位移极化率：e=1/(O2-2) Q2/M * 0静态极性：I=Q2/M * O2=Q2K，(3)弛豫极化，弛豫粒子：弱弛豫极化：由于热运动，弛豫粒子的分布是无序的，电场力使它们按照电场规律分布，在一定温度下产生极化。弛豫极化具有比位移极化移动更大的距离、移动时克服一定的势垒、建立极化需要很长时间和吸收一定的能量等特点，这是一个不可逆的过程。(3-1)离子弛豫极化率、正常结构区、缺陷区、U-松散、U-松散、U-导电、离子弛豫极化率：温度t=Q2x2/12kt越高，热运动越阻碍粒子的规则运动，极化率越低。离子的弛豫极化率比电子的位移极化率大一个数量级，这可以导致材料的大介电常数。(3-2)电子弛豫极化，电子弛豫极化：材料中的弱束缚电子在晶格热振动下吸收一定量的能量，从较低的局部能级跃迁到较高的能级，处于激发态；处于激发态的电子不断地从一个阳离子节点移动到另一个阳离子节点。所施加的电场使其运动具有一定的方向性，从而导致极化并使介电材料具有异常高的介电常数。离子晶体中转向极化的应用，一对晶格空位的取向，非极性分子正负电荷的“重心”:介电分子重合，极性分子正负电荷的“重心”:介电分子不重合；正负电荷相等的“重心”交错排列，形成一定的电偶极矩，即分子固有电矩。(4-1)非极性分子的位移极化。在没有外部电场的情况下，分子正负电荷的“重心”重合，电介质不带电。外加电场后，介电分子正负电荷的“重心”在电场的作用下不再重合，产生感应电偶极矩。外加电场后，由于感应电偶极矩的出现，极化电荷层将出现在介质的左右端面。在没有外部电场的情况下，由于分子的随机热运动，所有分子的固有电矩的矢量和平均相互抵消，即 p分子=0，宏观上不产生电场。(4-2)极性分子的转向极化和极性分子在外电场中的固有电矩受力矩的影响。在这个力矩的作用下，使电矩的方向与外部电场的方向一致。外加电场后，分子的固有电矩被转矩(1)转动，外加电场后，分子的固有电矩被转矩(2)转动，外加电场后，分子的固有电矩被转矩(3)转动，极化电荷出现在电介质的左右端面。各种偏振形式的比较表明，化学成分为二氧化钛，晶体属于四方氧化物矿物，是二氧化钛天然同质三像中最稳定、最常见的一种。另外两种变体是锐钛矿和板钛矿。前者也是四方晶体，但空间群不同于金红石。板钛矿属于正交(菱形)系统。在金红石晶体结构中，氧离子形成扭曲的六边形紧密堆积，阳离子钛位于变形的八面体空穴的中心，形成沿C轴延伸的共棱配位八面体链，这些链在共同的顶上由八面体连接。锐钛矿和板钛矿的晶体结构与金红石的晶体结构的主要区别在于氧化钛的每个八面体与相邻八面体之间的共脊数，在金红石中为2，在锐钛矿和板钛矿中分别为4和3。金红石通常含有铁、铁、铌、钽等。)，金红石含量高的分别称为铁金红石、铌铁金红石和钽铁金红石。板钛矿、锐钛矿和金红石通常是柱状或针状晶体，具有双锥体，圆柱上有纵向条纹著名的金红石产地包括挪威、瑞典、俄罗斯的伊尔曼山、澳大利亚的新南威尔士和昆士兰州、美国的弗吉尼亚等。中国的江苏、辽宁、山东、河南、湖北、安徽等省也有产出。金红石晶体的内建电场结构系数C11和C22均为负值，表明相同的离子具有减弱外部电场的作用。C21和C12都是正值，这表明不同的离子具有增强外部电场的作用，并且该值相当大。结果，氧离子和钛离子的极化被加强，这远远超过相同离子之间的弱化，并且最终晶体的介电常数增加。分析，3，有效场，克劳修斯-莫索蒂方程，以及，外加电场E之外，E1，外加电场E之外(由物体外的固定电荷产生的。即由极板上的所有电荷产生的)构成物体的所有粒子电荷的电场的总和E1(去极化电场，即由材料表面上感应的电荷产生的电场)宏观=外E1，1。宏观电场：根据库仑定律，p方向分量df: df=-(-pcosds/4or2) cos从QE=f1e=Fe=FDE=PCOS 2ds/4o R2=(2 rsinrd)(PCOS 2/4o R2)=PCOS 2sin/2or2d电荷在整个空心球上在o点产生的电场为：积分洛伦兹场E2: E2=p/3o从DE到0，E3仅考虑粒子附近偶极子的影响，其值由晶体决定证明了球面上存在三次对称参考点位置。如果所有的原子都可以被平行的点偶极子代替，E3=0。Eloc=E外部e1p/3o=e p/3o，根据d=oep=d-OE=(1-OE=o(r-1)E，介质单位体积中极化质量点的数量被Eloc=E外部e1p/3o=e p/3o eloc=(r 2) e/3设置为等于n。然后在克劳修斯-莫索蒂方程3中有P=N=NELOC，(R-1)/(R 2)=N/(3O)的含义。克劳修斯-莫索蒂方程和克劳修斯-莫索蒂方程：建立了可测物理量R(宏观量)和粒子极化率(微观量)之间的关系。克劳修斯-莫索提方程适用于弱分子间相互作用的气体、非极性液体、非极性固体和具有适当对称性的固体。从克劳修斯-莫索蒂方程出发，我们讨论了高介电常数的粒子：(R-1)/(R2)=N/(3O)(R-1)/(R2)-R值越大，介质中粒子的极化率越大，极化介质中极化质量点越多，介质的介电常数越高。介电常数在一定温度范围内的相对平均变化率和每升高1的温度。表达式为：(其中TK或 为介电常数的温度系数，-1；是介电常数，f/m；是温度升高后介电常数的变化；Dt为温升，)。陶瓷介电材料的介电常数 的温度系数通常也用TKE或特克来表示。温度范围通常为-25至85或-55至125.TK值是材料的一个重要电学参数，可作为许多陶瓷介质材料分类的依据，即有正、负和零温度系数材料。由不同材料制成的介电常数温度系数可以用于不同的目的。介电常数温度系数的测定：根据应用，不同的要求是正的：滤波旁路和DC阻塞电容；要求是负的：热补偿电容器接近零：电子仪器中的电容器要求高的热稳定性和高的电容精度。当前发展方向：介电常数温度系数接近零，介电常数高。电场中介质的击穿：当施加的电场强度超过某