电介质物理ppt

1、l邓 宏l电子科技大学 微电子与固体电子学院 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域 ,是在 2 0世纪随着电气工业的发展而形成的。 “工程电介质”是随着 20世纪电气化时代的到来而发展形成的一门学科和生产领域 ,它在 21世纪到来之际 ,将随着信息和生物等新兴技术领域的发展会有更广阔的前景。 前言前言一、一、2 02 0世纪电介质学科的发展和贡献世纪电介质学科的发展和贡献1.1.电介质学科的起源和对电气工业发展的贡献电介质学科的起源和对电气工业发展的贡献2.2.电介质学科的建立和发展电介质学科的建立和发展 二、工程电介质发展的热点问题展望二、工程电介质发展的热点问题展望1.1.传统

2、绝缘电介质的发展传统绝缘电介质的发展2.2.功能电介质功能电介质3.3.生物电介质生物电介质4.4.其它工业应用新发展其它工业应用新发展 20世纪初叶的电气设备电压低、电流不很大 ,电机、电线、电缆、开关等设备的绝缘都采用了天然材料 ,如云母、沥青、绝缘纸、矿物油、天然橡胶、大理石板等 ,它们的电气性能如绝缘电阻、耐压等都较低。随着电气设备电压的上升 ,特别是大容量电机及高压输电设备的发展 ,急需提供新型绝缘介质。在2 0世纪中叶 ,化学合成技术飞速发展 ,出现了新型合成高分子材料 ,由于它们一般绝缘性能良好、易加工 ,为新型绝缘介质的发展和应用带来了极好的条件。经过近代的研究和发展 ,聚合物

3、介质已成为各种新绝缘介质的主体 ,如电机中采用的环氧云母和合成纤维纸板作介质并浸渍硅有机漆作主绝缘 ,电线电缆绝缘则由油纸绝缘发展为塑料绝缘。国外塑料电缆产品已达 500 k V，国内达 220 k V,合成的十二烷基苯二芳基烷烃等液体介质和聚丙烯薄膜已作为电力电容器的主绝缘。 这些高分子合成材料不仅绝缘强度高、加工性能好 ,而且经过组成、结构的改变 ,还能提高其耐热、阻燃、耐油等特性 ,这大大促进了电气工业产品性能的提高和发展 ,如电机绝缘由Y(0 )级、A级 耐热 90- 105 ,天然棉丝纸绝缘 ,发展到 C级 耐热 200 ,聚酰亚胺绝缘 ,聚乙烯塑料电缆通过采用化学交联或辐照交联 ,

4、耐温也由 75提高到 90。我国制造电机的容量亦由 50年代的 6千千瓦发展到自制 6 0万千瓦 ,电能原是少数大城市使用的稀缺能源 ,目前已成为城、乡村、工、农业、人民生活不可缺少的能源。应该说绝缘介质的发展为世界各国电气化事业作出了重要的贡献。back国际上电介质学科是在 20世纪 20年代至 30年代形成的 ,具有标志性的事件是 :电气及电子工程师学会 (IEEE)在 1920年开始召开国际绝缘介质会议 ,以后又建立了相应的分会 (IEEE Dielectric andElectrical Insulation Society)。美国 MIT建立了以 Hippel教授为首的绝缘研究室。苏

5、联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业 ,莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在 2 0世纪 3 0年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖 ,奠定了电介质物理学科的基础。随着电气和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。back我国电介质领域的发展是在 1952年第一个五年计划制定和实行以来 ,电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展 , 这些校、院、所首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养 ,并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程 ,西安交大与上海交大、哈尔滨工大等院校一道为

6、我国培养了数千名绝缘电介质专业人才 ,促进了我国工程电介质的发展。 80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。back 由于通讯、雷达、电视及计算机工业的发展 ,用电的频率由工频提高到无线电频率 (兆赫 )到光频。 这对介质中的极化损耗的降低提出尖锐的要求。 随着计算机的广泛使用 ,对计算机控制 ,要求必须研究具有多种功能的执行元件。其中大量的是具有电-机械、光电转换的介质器件 ,因而电介质研究领域就从绝缘领域扩展到电子功能器件领域 ,如新型大屏幕彩电就应用了气体介质放电、电致发光、电致液晶等技术。 新型电力电子器件及电气设备中要用到许多新型功能介质材料 ,如 ZnO压敏电阻避雷

7、器、电力电子器件中开拓应用的导热绝缘材料、变压器中绝缘油老化含水检测的传感器件等。至此工程电介质不仅包括绝缘电介质 ,而且包括各种电子功能电介质。传统绝缘电介质的发展 在电气绝缘领域中目前研究最多的仍是塑料电缆。随着电气设备在航天、航海、核能、矿井、电气机车、高层建筑等领域的广泛应用 ,对于绝缘电介质在耐高低温、抗辐射、耐油、阻燃等方面都有更高的特殊要求 ,因此需要研究各种阻燃非燃电缆材料、梯度分布均电场介质、自恢复绝缘介质、超低温超导绝缘介质、耐核辐射绝缘介质等。这些材料多采用有机与无机介质的复合来达到其综合性能要求。 back功能电介质功能电介质 1 )纳米材料纳米材料是几何尺寸介于原子、

8、分子与块状物体之间的金属以及各种化合物的粒子或粒子的集合体。随着粒子的粒径的减小 ,表面原子对材料的性能的影响加剧 ,即出现表面效应 ;粒子的体积的减小引起体积效应 ,表现了粒子的量子尺寸效应 ,因而纳米粒子在热、光、磁等物理性能上表现出种种异常 ,具有特殊的电学、光学特性。当前纳米材料的研究的特点是从单相转向复相纳米材料。纳米材料的应用涉及到人类生活的各个领域 ,如特异性导电材料、电磁波共振器、超低温远红外材料、高活性催化剂等 ,有的已进入实用阶段 ,有的具有诱人的研究前景。预计用纳米超微粉改性绝缘电介质将会在绝缘技术领域形成新的突破口。back功能陶瓷介质功能陶瓷介质 近年来 ,随着电子技

9、术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展 ,人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有 :(1 )电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等 ;(2 )化学功能陶瓷如各种传感器 ,化学泵等 ;(3 )电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电 ;热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。back功能高分子材料 新型高分子材料的开发、特别是无机材料与高分子材料的复合产生了许多功能材料 ,如导电高分子材料、光电转换高分子材料、导热绝缘高分子材料、PTC高分子材料、吸波高分子材料以及低损耗塑料光导纤维等。这些都为工程电介质的研究

10、开辟了新的领域。 back生物电介质 研究表明 ,生物大分子的生物活性和电性能之间存在明显的相关性。对各种动物肌肉的研究发现 ,它们的低频介电谱随细胞的生物活性的变化而变化 ,利用这种效应可以对人体的癌变细胞进行诊断 ,也可对肉食产品和水果的新鲜度进行检测 。 生物体在一定条件下 (高频或低温 )具有介质特性 ,即有极化损耗等特性 ,利用这些特性就可以造福于人类 ,如微波治癌、电磁育种、电磁脉冲消毒、控制生物体的再生等，但也要注意电磁场的负面作用，防止电磁污染 (脉冲及高频电磁场损伤 )。 back其它工业应用新发展 物质的介电性能与其结构有密切的关系，且在物理化学过程中其介电性能的变化幅度大

11、、规律性好，可用介电分析研究这些物理化学过程。另外微波化学合成、微波采油技术都有很好应用前景。 back一、电介质的性能一、电介质的性能1.1.从电场特性来看从电场特性来看（a a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于导导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于导体表面并与表面垂直。体表面并与表面垂直。（b b）在介质中：内部存在电场。在介质中：内部存在电场。如平板电容器：如平板电容器：E电介质介电常数单位面积电荷密度2.2.能带结构上的区别能带结构上的区别电介质：能级的基态被占满，基态与第一激发态间的禁带很宽，以至电子从正常态激发到导带所需的能量，足以使电介质受到破坏。（a）电介质

12、（b）半导体（c）导体E价带导带Eg禁带Eg: 3.58eVEg: 0.73.5eV3.电阻率V的范围：导体：10-6 m半导体：10-6 106 m电介质：1091018 m（或更高）4.载流子：导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴；电介质的载流子主要为离子。在传导上，导体为自由电子，而介质则以电极化。故对极化的研究是介质物理的主要任务。5.电阻率VT的关系：T(k)V( m)DielectricsConductorSemi-当然，象任何分界一样，将物质分成介质、半导体和导体是一种惯例。同一种物质由于外界条件的不同，并由于所受电场的作用不同，可以是导体或介质。例如，许多在通常意义上

13、称为介质的材料（如玻璃、晶体等），在温度足够高时，则成为导体；高温下的气态金属则是介质；水在直流或低频下是导体，而在高频则是介质；所有已知的介质在足够高的电场下都成为导体这是一个辨证的统一。“电介质”一词作为形容词时概括了范围很广的材料。对任何一个可赋予介电常数的物质，均可视为电介质，至少在高频下是这样。二、电介质的定义1.法拉第定义：能被电力线所直通或横惯地作用的物质称为电介质。2.前苏联科学院：电介质是这样一种物质，在电场中具有极化能力，并且在其中能长期地存在电场的物质。3.我国定义：在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场的物质称为电介质。三、电介质的分类1.凝聚态：气态、液态、

14、固态。2.组成成分：3.化学结构：对称性中性介质：电矩=0，如苯类、烷烃类极性介质：电矩=0.3-10D（德拜）有机电介质无机电介质4.极化强度（P）与电场强度（E）的关系P-E线性：位移式极化P-E非线性：自发式极化5.按形状分类块状，膜状；零维-三维。四、电介质物理的学习内容电介质物理是以电介质为研究对象的一门学科，它从物理学科中分离出来成为一门独立的分支，是近几十年的事，其研究内容是揭示电介质基本特性（如：电极化、损耗、电导和击穿）的物理本质，探讨电介质在电场作用下所发生的物理过程与电介质的结构、组成之间关系的规律性。12r，真空介电常数米牛库米法无量纲数（相对介电常数），电荷所在介质的

15、介电常一、库仑定理：静电场基本定理电介质极化第一章、恒定电场下的mN/C,/1085. 8FFrr4qqF. 112222120211220211任何一电荷系统的周围均有库伦力的作用，电荷库仑力能影响的区域称为电场。iiii20EEFFrr4qE/qFE叠加原理：库仑力和电场强度满足即：库仑牛顿量纲二、电场和电场强度二、电场和电场强度jm1j2jjzzzyzxyzyyyxxzxyxx20rrq41Dm/ED个点电荷产生的电场：对于由对各向异性介质：米库量纲三、电位移（电感应强度）四、高斯定理 设点电荷q被任意封闭面所包围，在S面上任意一点的电位移D的大小将等于q/4r2，其方向将与q所在点至该

16、点的径向量相同。于是穿过单元面积dS的电位移通量d为：dV)z,y,x(dSD)z,y,x(Sqmqd4qdSr4cosqdqdSr/cosdSdScosr4qdSDdVSm1jjSS222，则：分布电荷密度为中的电荷为分布电荷，如封闭面个点电荷的体系：对有：量移通通过此封闭面的总电位。于是点所对应的立体角在正是面积元SqidSdDD例zkyjxis NabblaUGradUEr4dVdEUorr4qUPq,q,qdEdEUUBABAV0pPm1jj0jPm21BAABBA点的电位为：）体系中，在多电荷（电位差，即：两点间的、的功称为（电场）对该电荷所作，移动至另一点一点电位正电荷从电场中的x

17、yzIIIyDdyyDDyyszyxyyyyyyysdDdzdydxzDyDxDdzdydxyDdzdxdyyDDdzdxDIIIdzdxdyyDDII,dzdxDIdzdydxdV为：六个面的总电位移通量为：总共穿出的电位移通量面和表，于是由表面：穿出的电位移通量则为由表面的电位移通量为：穿出的表面在单元体积0U0) z, y, x() z, y, x(U) z, y, x(zUyUxUzUEEDyUEEDxUEED) z, y, x(zDyDxDD) z, y, x(dV2020222222zz0zyy0yxx0 xzyx时，则为拉普拉斯方程当即：泊松方程，则由高斯定理：内的电荷密度为如单

18、元体积sinsinr1sinr1rrrr1zr1rr1rzyx22222222222222222222222注：常用边界条件：在导体与电介质的界面上，由于导体表面是一等电位面，电场强度，电位移必须与导体表面垂直；在两种不同的介质界面上，且当界面上没有电荷集聚时，电位移向量的垂直界面的分量应当连续，即：D1n=D2n 或 E1n/E2n=2/1另一方面，由于电场为保守场，电场强度在两个不同介质的交界面上的切线分量应当连续，即E1t=E2t。介质1介质212N1E2E212122201110tantancosEcosE所在点的径向量。电荷为定点（参考点）至点式中）德拜（米（量纲：库极矩定义为：荷的

19、系统中，系统的电个点电矩是一向量。在所在点的径向量，电极为定点至电荷，义为的电极矩（或电矩）定对某一定点（参考点）点电荷jj29jm1jjqrD103)mcrqmqrrqqq参考点rjjjjjjjqr) rr (qr0q为：化量时，系统的总电极矩变当参考点移动的位置无关。极矩与参考点）的系统，该系统的电对于总电荷量等于零（rjrxyz+Q-QnrprnprrQrQrQrqnpjjj对如图所示系统：理想偶极矩或点偶极矩的概念理想偶极矩或点偶极矩的概念：r+q-qO处的电势为条件的参考点位于点，满足设一点电荷的个别现象偶极矩的概念是极矩中i0iQ41)M(UaQA（QI）MOar 1)COS2(C

20、OS214QMU1r /aOAOM2OAOMAM220i22221和则：令：而极子的电势的点的四极子电势点的电势点偶极子的电势点的单极子在其中：写成：从物理意义考虑，可将勒让德函数展开利用nniiiiiinnnnnnniOUOraQUOAQraQUQOrQUUUUUUMUMUddnPPrQMUxn221cos234cos44)()(1coscos!21coscos41123022201002421020021任何一电荷系统（如分子中的电荷），在该电荷组足够远的某一点M来看，可看成是点多极子的电势叠加。即：一个单极子Q0（标量）；一个点偶极子 （矢量）；一个点四极子（二阶张量）；一个点2n极子（

21、 2n阶张量）。例例 试求位于正方体的六个面心上六个理想偶极子在立试求位于正方体的六个面心上六个理想偶极子在立方体中心产生的电场强度。方体中心产生的电场强度。答案轴平行。，方向与有偶极矩的大小等于为正六面体的边长，所标分别为，六个理想偶极矩的坐以正六面体中心为原点解：za2)0 , 0 , a (m)0 , 0 , a(m)0 , a, 0(m)0 , a, 0(m)a, 0 , 0(m)a, 0 , 0(m654321电介质的极化和极化强度电介质的极化和极化强度极化的定义极化的定义：在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。极化强度极化强度：极化

22、强度定义为电介质单位体积内电偶极矩的向量和，即量纲：库/米2 C/m2极化强度是表征电介质在电场作用下极化程度的向量。电介质在电场作用下，一方面感应出偶极矩，另一方面在电介质表面感应出束缚电荷。表面感应束缚电荷的大小亦表征了电介质在电场作用下极化的程度，因此，极化强度p与感应出的表面束缚电荷应存在一定的关系。-EnSVnpcospcosSVSVp故：而：则：、荷密度分别为如图所示的表面束缚电电介质极化的宏观、微观概念AQUQCQ. 100000则：电荷为器，在真空下极板上的对如图所示的平板电容极化的宏观概念+ +-+ +-0000000EDA2A2EA2EdAEdAD即则：由高斯定理：1Ep1

23、EEE0000故E1pnE1nEnEnEnD0000000+ +-极化强度的宏观式极化的微观概念极化的微观概念：在电场作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能离开介质形成电流，只能产生微观尺度的相对位移出现偶极矩，这个现象叫做极化。E中性介质离子型介质极性介质宏观、微观极化的关系宏观、微观极化的关系如设N为单位体积内的偶极矩数，且把每个偶极矩看成相等，令其为Np则：因：Vpii有效电场 实际上引起电介质中粒子产生感应电极矩的电场，称为有效电场iE显然：iE由此：微观极化宏观极化宏观、微观联系式宏观、微观联系式对电介质极化的研究：对电介质极化的研究：提高电介质介电常数

24、：提高电介质介电常数：克劳修斯方程克劳修斯方程极化率（极化率（Polarizability) 分子的极化及极化率：根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；偶极矩转向极化。位移极化；偶极矩转向极化。EE电子位移极化电子位移极化率定义：在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电于原子核发生位移，这种极化称为电子位移极化（电子极化），其极化率称为电子位移极化率子极化），其极化率称为电子位移极化率

25、e.e.。在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-1510-16s。电子位移极化率e电子位移极化的量子力学模型： 我们考虑一个由带正电的核和围绕核的Z个电子所组成的原子体系。且整个体系是完全孤立的，即，体系不受任何扰动。dexMMUUMEUUUUUUUUUUUU0kZi1ii0jjk0k0jjk0j0kjk20jjkj3210k0j030201矩阵元，为：之间所有未微扰电子的和是在波函数式中，二级微扰理论求解：被电场扰动的能级可用，为：则上面的量子化能级变作用。则该体系受到电场微扰如果体系处在电场中，体系

26、的能级为：k010kk1e2e011011k010kk12011UUM2E21UUUUUUMEUU:故：修正：被电场所形成的位能的即是由经典理论，如只考虑基态矩阵元的计算是相当的复杂，每个元都包含诸波函数的乘积，而这些波函数仅在很有限的几种情况下才能求得解。电子极化率求解的简化模型1. 原子电子云模型 一个原子可以看作是一个电荷为+Q的正电核和周围均匀分布、半径为R、介电常数为0的球状电子云组成。-QQdRE30e3030220213332021R4ER4dQR4dQd4qQEQFFR34d34QqQRdqd4qQFEQFd0E因此：即：平衡建立后：而：的库仑力为：核移动后，受到电子云使核移动

27、的电场力为：点，核沿电场方向移动，以电子云中心为参考当2.圆周轨道模型 我们用玻尔原子模型来考虑被研究原子。即，一个电电荷-Q沿着环绕电荷为+Q的原子核作轨道运行。oEoAMdFE=QEFEFRRFEoAMdFE=QEFEFRRF3.介质球模型 如图，把原子看成是一介电常数为的介质球。Rr为点偶极矩，点看，原子极化球可视从R20r4U即：30e00030e0030R42R4E2R4即：电子位移极化结论电子位移极化结论同族元素：e由上到下增大，因：外层电子数增加，原子半径R增大；同周期元素：不定，因：外层电子数虽然增加，但轨道半径可能减小；离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同。离子半径大

28、，极化率大；实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，e/40R3值大，对极化贡献大，如：Pb2+、O2-；表电子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10-15 10-16s，在第二章解释该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：为光频下的介电常数原子或离子实测电子极化率e10-40Fm2原子半径a 10-10me/40a3B0.0220.261.14Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89Hg2.211.121.41C0.0130.201.50O3.0691.321.20S6.551.741.12Zr0.890.871.21Cu2.0

29、11.001.81水分子的偶极矩O2-H+H+104H+R解答O2-H+H+2H+REE2E121e水分子的偶极矩等于：6.110-30库米，为强极性分子。同样分子结构的CO2则为非极性分子（因它的键角为180）。离子位移极化和极化率离子位移极化和极化率离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如n2KCl2.134.68TiO27.3110-114CaF21.998.43因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。离子位移极化离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。极化率用i表示。r-q+qEK=?K值的求解值的求解.根

30、据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解值。2121202212121000021mmmm4Kmmmmmm1m1m1mmK2mm为离子对的折合质量：为：和固有谐振频率谐振角频率，其固有和别为设正、负离子的质量分212221220i0210021221220220110MMC4MMqNKqNMMCNMMMMC4KNMmNMmC为阿佛加德罗常数。，为正、负离子的原子量分别与的波长；为对应于谐振频率为光速；式中则：，学的关系：利用波动力学及物理化式中可由吸收光谱测得，其它参数为已知常数。（）rOar库仑引力势能电子云斥力势能.势阱法求解值设（）和（）分别为正、负离子位移前后的互作用能量。则：2r0

31、r0) r(K21rdrKrdF) r (u) rr (unaqb0r) r (uruarr4br4q) r (u) r() rr (uK1n2arn0020r22由此）有极小值，即：（时，当叠加。即：电子云间的排斥势能的周围引力势能和正负离子核而势阱的势能是有库仑即：式中为晶体离子间电子云排斥能指数，可由实验确定，一般晶体的值在之间。1na4Kqa4q) 1n(aq) 1n(aq241) ra (4aq) 1n() ra (4q2) r() ra (uKnr4aqr4q) r (ub302i302323200r2n01n23020r22n01n202代入，得：将一维计算：三维计算：离子位移极

32、化结论离子位移极化结论离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级，均在40（10-10）310-40法米2数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-1210-13秒。偶极子转向极化和极化率偶极子转向极化和极化率当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。极化建立时间：10-610-2秒，为慢极化开焦耳

33、玻尔滋蔓常数米库极性分子固有偶极矩/1038. 1k1023300 d的求解的求解极化和极化率总结极化和极化率总结根据电介质分子参与极化运动的种类，把极化分成三类：电子位移极化e；离子位移极化i；偶极矩转向极化d。电介质的总极化为： = e+i +d热离子极化热离子极化热离子极化（离子松弛极化）为慢极化，建立时间约为10-210-6秒洛仑兹（洛仑兹（Lorentz）有效电场计算模型有效电场计算模型r+-E2E1AEyAxzddS洛仑兹电场洛仑兹电场E2=？克劳修斯方程克劳修斯方程式中：式中：M为介质千克分子量（千克为介质千克分子量（千克/千克分千克分子）；子）； 为密度（千克为密度（千克/米米

34、3）；）；N0为阿佛迦德为阿佛迦德罗常数罗常数=6.023 1026（1/千克分子）或千克分子）或= 6.023 1023（1/摩尔）。摩尔）。克劳修斯-莫索缔（Clausius-Mosotti）方程（简称克-莫方程）应用于光频作用下的电介质时，光在电介质中（相对于真空）的折射率n等于：2mmmn1n于是：一般的电介质电介质的磁导率，对于光频下的介电常数光在介质中的速度光在真空中的速度气体电介质的介电常数气体电介质的介电常数 气体是各向同性的，在压力不太大的条件下，分子之间间距很大，相互作用很小，在常温下，分子作布朗运动，分子在空间各点出现的几率相同。因此，气体电介质适用克-莫方程。一、非极性

35、气体结构特征单原子、相同原子的双原子气体及有对称结构的多原子气体。主要极化电子位移极化。00025. 1N13N13N21m10687. 2NmmHg760PK274TkkNTPmF1011156. 1104R40e0e0e32524010030e）（时，有：，当为玻尔兹曼常数）（）（非极性气体介质极性液体中极性液体：0.5D0 1.5D极化形式：电子位移极化、偶极子转向极化，并已偶极子转向极化为主。因极性液体分子的间距相对液体来说小得多，其分子间的相互作用很强烈，E20，不适用克-莫方程。电场作用在偶极矩上的有效化率极性分子的电子位移极极性分子固有偶极矩表示。理想偶极矩偶极矩用位于球心上的的

36、小球，分子的成一半径为极性液体极性分子可看，）（分子模型假设：ie0ie03EaE1Na34.1Onsager. 1ieE0GRiE30R202RRa121241RRa4ar0r时，有限，当方程整理后可得电子位移极化率方程Onsagera43NE2n1nN3Onsager. 33ie0220e)2)(n2()2n(kT3N2n1n212220022e022200222022023N2n1n21n022nkT9Nn123kT3N11nOnsager. 4时，当）（时，当时，当理论的讨论对介电常数在10以上的离子晶体，具有电子位移极化和离子位移极化。由于晶体的结构Ei很大如：TiO2，金红石，=7

37、.3，=173 SnO，金红石结构， =4.7，=24 PbO2，金红石结构， =6.75，=26xyzETi4+O2-一、内电场的计算（斯卡娜维法）有洛仑兹假设：Ei=E+P/30+E 5j2j2j0jj1jjjjrrz34EzyxjE为：在原点产生的电场强度）的离子感应偶极矩，（任意一点构为例。对如图所示的金红石结？求5220z30202102010rrz34zEr4zqdr /zsincosr4cosdqr1r14qr4qr4q)z, y, x( ,r1r2rxyzO121122222212211111N1j252j2j2j2j2j2j2j012N1j252j2j2j2j2j2j2j01

38、1N1jN1j252j2j2j2j2j2j2j022252j2j2j2j2j2j2j01112211252j2j2j2j2j2j2jN1j0j1ECECEECECE)zyx()zyx(z341C)zyx()zyx(z341C)zyx()zyx(z34E)zyx()zyx(z34EEEE)zyx()zyx(z34E2112 同样：则：令：则：率为，离子的电子位移极化第二种离子上的电场为率为，离子的电子位移极化第一种离子上的电场为设：二、介电常数高的原因4 .1123213 . 79 . 61045. 310262. 0103 .16107 .33108 .101072. 012321122321

39、. 121024022401103211031210322103112221112102211211221222111112121221221210）（莫方程：克实测值：计算值：）（）；（；忽略二次项）（）（）（只考虑电子位移极化NmFmFaCaCaCaCCCNCCCCCCCCCCN21i222111i2102300iCCC123N21mF104. 2）（子位移极化考虑电子位移极化和离计算值：170；实测值：173: 在没有外电场的作用时，晶体内部某些区域的正、负电荷中心不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发极化。铁电体：具有自发极化的电介质称为。铁电体的特征：具有高的介电常数，几百几万；介电常数与电场强度大小有关；PE的关系为电滞回线（Hysteresis curve)oEP矫顽电场Ec自发极化Ps具有宏观偶极矩的区域称为“电畴”。在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）。l电子技术l红外探测技术l超声（和微波声学）技术l固态记忆按微观结构，铁电体可分为偶极矩有序型和离子位移型两类。：晶体内含有能够旋转或反转的固有偶极矩，在