第2章 介电材料

1、介电材料介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象相对位移而产生电偶极矩的现象。电介质的极化电介质的极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。也就是说，在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子，如图21所示。 设正电荷与负电荷的位移矢量为l，则定义此偶极子的电偶极距图21 偶极子n规定其方向为负电荷指向正电荷，即电偶极距的方向与外电场E的方向一致。 ql一、介电材料

2、的特征值一、介电材料的特征值1、分子极化率、分子极化率在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩，而n分子极化率一般由电子极化率e、原子（离子）极化率a和取向极化率0三部分构成：E0ae电子极化率电子极化率：在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移（如图22所示），原子中的正负电荷重心产生相对位移，这种极化称为电子位移极化电子位移极化。30eR34图22 电子轨道位移n根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率e。 离子极化率离子极化率：离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。图23所示是离子位移极化

3、的简化模型。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率a n由于离子质量远高于电子质量，因此极化建立的时间也较电子慢，大约为10-1210-13s。 03a41na图23 离子位移极化的简化模型取向极化率取向极化率：沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称为取向极化取向极化。取向极化率0kT3200n2 2、极化强度极化强度Pn介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和：nVP3 3、静态介电常数静态介电常数静态介电常数和极化强度p的关系为EP0n从上式中可以看出，介质的极化强度P越大，也越大。常用相对静态介电常数r=/0，称为绝对介电常

4、数。 n4 4、动态介电常数动态介电常数*n电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫驰豫时间驰豫时间，其倒数称驰豫频率驰豫频率f，电子极化的f约1015Hz，相当于紫外频率，原子（离子）极化的f约1012Hz，处于红外区，取向极化的在1001010Hz之间，处于射频和微波区。在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。f越大，越小，极化建立需要的：电子极化离子极化取向极化。当f1001010Hz时，三种极化都可建立。当1010f1013Hz时，取向极化来不及建立，只有离子极化和电子极化能建立。当1013fTc时，铁电现象即消失。当TTc时，处于顺电相。当T=Tc时发

5、生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。其间Tc称为居里点。（4）介电常数介电常数与非铁电体不同与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。 三、铁电体的种类三、铁电体的种类按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，即无序有序型铁电体（软铁电体）。另一类是可以沿几个晶轴极化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，称为位移型铁电体（硬铁电体）。三、铁电体的种类三、铁电体的种类(1)软铁电体:只能沿一个晶轴方向极化,从顺电相到铁电相的过渡是从无序-有序的相变,是无序-有序型铁电体.如KH2PO4.(2)硬铁

6、电体:可以沿几个晶轴极化,位移型铁电体.从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移.如BaTiO3. 图27 反铁电体的位移和结构示意图（a）二维反铁电体晶格结构；（b）离子沿对角线反平行位移 n四、反铁电体四、反铁电体n反铁电体是一些离子晶体，它的相邻行或列上的离子沿反平行的方向自发极化，最简单的如图27(a)所示。图27(b)则表示离子沿对角线反平行位移的一般情形。 最初发现具有反铁电性的晶体为三氧化钨，当温度高于1010K时，它处于反铁电相。X射线衍射实验表明，钨离子沿反平行方向位移。后来发现锆酸铅也具有反铁电相。对锆酸铅反铁电体的研究较多。锆酸铅室温下的介电常数约为100，可是在230时，介电常数出现尖锐峰值；当温度高