电介质的极化及介电击穿

1、电介质的极化及介电击穿电介质是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种绝缘材料储能物质。静电场中的导体静电感应静电平衡电介质束缚电荷内部电场外部电场电介质物理（1）揭示电介质基本特性（电极化、电导、介质损耗、电介质击穿）的物理本质（2）探讨电介质在电场作用下所发生的物理过程与电介质结构、组成之间关系的规律性。电介质的极化：电介质中电偶极矩的矢量和不为零的现象。电介质可分为两类：一类是非极性电介质（常态下介质内分子的正负电荷的平均位置重合），另一类是极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置不重合)。在无外电场作用时，非极性电介质分子的等效电偶极矩为零；极性电介质分子由于排列杂

2、乱无章，其等效电偶极矩的矢量和亦为零。在有外电场作用时，非极性电介质分子的正负电荷平均位置相对位移，极性电介质分子的电偶极矩发生转向。这样，都将出现极化现象。通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化：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。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()。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

3、介电常数。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,如图1所示。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。 电介质的极化机制 电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距

4、离l形成电偶极矩peel(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。当电场不太强时,电偶极矩pe同有效电场成正比,pe=eE,式中e称为电子极化率。离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。pa与有效电场成正比,pa=aE，a称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。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

5、定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率d描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。这种极化同温度的关系密切。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。 电介质的极化是这四种极化机制的宏观总效果。 克劳修斯莫索提公式 在介质内部，作用于分子或原子的电场不单是外加的宏观电场E(自由电荷和极化电荷产生的总电场），还应包括电介质内部所有其他分子的电矩p产生

6、的电场。作用于分子或原子的这种电场叫做有效场(或局部场)。对于偶极子的无规排列或对于纯立方阵排列晶体,有效电场, P 为电极化强度，称为洛伦兹有效场。由此可得出关于电介质相对介电常数r与分子极化率的克劳修斯-莫索提公式，式中N 为单位体积内的分子数。对于非极性分子的电介质,这一公式与实验符合得相当好,但它不能说明强极性分子的行为。实验上可根据测定的r由此式确定极化率，对于弱极性电介质,可由它确定极性分子的电偶极矩。 极化弛豫 电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到达极化平衡需要一定的时间，这个滞后的时间用弛豫时间 描述。电子极化和离子极化的时间非常短，而固有电矩的取向极化与热平衡性质有关，界

7、面极化与电荷的堆积过程有关，它们则有较长的弛豫时间。极化弛豫现象造成电介质内部电位移D 和场强E具有一定的位相差，是引起电介质损耗的一个原因，研究极化弛豫可获得关于物质结构的知识。 自发极化 普通的电介质当场强不太大时,P同E成正比关系，场强回到零时，极化也为零。然而也存在一些电介质在一定的温度下，当外电场撤离后仍有一定的极化，称为自发极化。自发极化不能被外电场反转的电介质称为热电体，自发极化可被外电场反转的电介质称为铁电体。在铁电体中极化强度同电场的关系构成电滞回线。电滞回线表明铁电体中存在电畴，它是一些具有正负极性的自发极化区。铁电体中一般包含若干个电畴，相邻电畴的边界称为畴壁。对于单晶体

8、的铁电体只有在足够强的电场下，电畴都沿外电场取向而成为单畴结构。铁电体也存在一临界温度（称为铁电居里点）。当铁电体的温度高于此温度时，铁电性消失，铁电相成为顺电相。 极化灾变 是指在某些临界条件下，极化变得很大，此时由极化引起的有效场比晶体中作用在离子上的弹性恢复力增加得更快，导致离子从平衡位置移动的不对称性，引起点阵的畸变，位移型铁电性的出现就与一定温度下点阵对称性的降低有关。极化灾变是引起铁电性的原因。介电击穿：介电击穿过程很复杂，除与物质本身性质有关外还与样品厚度、电极形状、环境温度、湿度和气压、所加电场波形等有关。实验数据很分散，各种理论模型只能分别在一定范围内说明问题。有三种类型的介

9、电击穿。 热击穿。电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。 电击穿。又称本征击穿。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

10、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。1935年，A.R.希佩尔最先提出电子碰撞电离概念。后来，H.弗罗利希等人曾对击穿场强作过定量计算。开始击穿时电子所须具有的能量称为击穿判据。化学击穿。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。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀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。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。应用：在电工技术中，电介质主要用作为电气绝缘材料，故电介质亦称为电绝缘材料。随着科学技术的发展，发现一些电介质具有与极化过程有关的特殊性能。如不具有对称中心的晶体电介质，在机械力的作用下能产生极化，即压电性；不具有对称中心，而具有与其他方向不同的唯一的极轴晶体存在自发极化，当温度变化能引起极化，即具有热释电性；当自发极化偶极矩能随外施电场的方