第七章 电解质材料和绝缘(7.1-7.2).ppt

1、These PowerPoint color diagrams can only be used by instructors if the 3rd Edition has been adopted for his/her course. Permission is given to individuals who have purchased a copy of the third edition with CD-ROM Electronic Materials and Devices to use these slides in seminar, symposium and confere

2、nce presentations provided that the book title, author and McGraw-Hill are displayed under each diagram.,第七章：电介质材料和绝缘,电工中一般认为电阻率超过 10欧厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。不导电的物质，如空气、玻璃、云母片、胶木等都可称为电介质。,7.1 物质的极化和相对电容率,将电

3、介质置于一平行板电容器中能够以 k 介电常数的比例提升其电容： 当中0是真空电容率， A 为电容器平行板投影重叠的有效面积， d 为两块平行板之间的距离。 此情况的发生是由于电场将电介质粒子极化，产生与电容器电场成反向（反平行）的电荷群于平行板表面上，电荷在平行板间产生一比没有电介质时更弱的电场，从而减少电势。依照相反的想法，这说明了在有电介质的情况下，电势的存在令电容器积存更多电荷。,Fig 7.1,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 200

4、5),外电场作用下，电介质显示电性的现象。在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。 一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是

5、由于电介质的极化作用。,电介质的极化,电介质的极化机制之一电子极化: 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。,Fig 7.2,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),Fig 7.3,From Principles of Ele

6、ctronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),在电子极化中，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，被称为电子极化共振频率。 见P484例7.1,Fig 7.4,From Principles of Electronic

7、 Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),7.1.3 极化强度矢量： 为表征电介质的极化状态，我们引入极化强度这个物理量，定义为，在电介质的单位体积中分子电矩的矢量和，以p表示，即,式中 是在电介质体元 dt内分子电矩的矢量和。在国际单位制中，极化强度的单位是cm-2(库仑/米2)。如果电介质内各处极化强度的大小和方向都相同，就称为均匀极化。均匀极化要求电介质也是均匀的。,极化电荷是由于电介质极化所产生的，因此极化强度与极化电荷之间必定存在某种关系。可以证明，对于均匀极化的情形，极化电荷只出现在

8、电介质的表面上。 极化介质表面单位面积的电荷等于极化是两垂直于表面的分量，Pn=P，方向由负极大指向正极大。,Fig 7.5,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),Fig 7.6,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),极化介质表面单位面积的电荷等于极化矢量垂直于表面的分量，P

9、n=P，方向由负极大指向正极大。,退极化场,电介质在外场中的性质相当于在真 空中有适当的束缚电荷体密度分布 在其内部。因此可用 和 的分布 来代替电介质产生的电场。,在外电场 中，介质极化产生的束缚 电荷，在其周围无论介质内部还是外 部都产生附加电场 称为退极化场。 任一点的总场强为：,退极化场,实验表明:,称为电极化率或极化率 polarizability 在各向同性线性电介质中它是一个纯数。,是自由电荷产生的电场,极化电荷产生的退极化场 depolarization field,是电介质中的总电场强度。,一、电位移矢量, 定义：,电位移矢量 electric displacement,自由

10、电荷,束缚电荷,根据介质极化和 真空中高斯定律,复习大学物理中的概念,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),7.1.4 局域场和克劳修斯-莫索提方程,一个分子的极化性 定义为 其中，P是分子的感应电偶极矩，E是作用于分子的电场。 介电质的

11、电极化强度定义为总电偶极矩每单位面积： ； 其中，P(r)是电极化强度，r是检验位置，Nj 、Pj 分别是分子 j 的数量每单位面积与电偶极矩。 总合介电质内每一种分子的贡献，就可以计算出介电质的电极化强度。将极化性的定义式代入，可以得到,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),当计算这方程式时，必需先知道在分子位置的电场，称为“局域电场” Eloc 。介电质内部的微观电场，从一个位置到另外位置，其变化可能会相当剧烈，在电子或质子附近，

12、电场很大，距离稍微远一点，电场呈平方反比减弱。所以，很难计算这么复杂的电场的物理行为。幸运地是，对于大多数计算，并不需要这么详细的描述。所以，只要选择一个足够大的区域（例如，体积为 V 、内中含有上千个分子的圆球体 ）来计算微观电场 Emic 的平均值，称为“巨观电场” Emac ，就可以足够准确地计算出巨观物理行为：,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),对于稀薄介电质，分子与分子之间的距离相隔很远，邻近分子的贡献很小，局域电场可以

13、近似为巨观电场Emac ：,但对于致密介电质，分子与分子之间的距离相隔很近，邻近分子的贡献很大，必需将邻近分子的贡献 E1 纳入考虑量：,对于立方晶系结构的晶体或各向同性的介电质，由于高度的对称性，邻近分子的贡献E1 为：,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),电极化率与极化性的关系为：,稀薄物质,一般均 匀物质,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Ed

14、ition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),一般均匀物质,克劳修斯-莫索提方程,（Clausius-Mossotti equation）表达了线性介电质的极化性和相对电容率之间的关系，是因意大利物理学者莫索提（Ottaviano-Fabrizio Mossotti）和德国物理学者鲁道夫克劳修斯而命名。这方程式也可以更改为表达极化性和折射率之间的关系，此时称为洛伦兹-洛伦茨方程式（Lorentz-Lorenz equation）。 极化性是一种微观属性，而相对电容率则是介电质内部的一种巨观属性，所以，这方程式连结了介电质关于电极化的微观属性与巨观属性。（教材P4

15、89例7.2）,洛伦兹-洛伦茨方程式,Fig 7.8,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),(a) Valence electrons in covalent bonds in the absence of an applied field. (b) When an electric field is applied to a covalent solid, the valence electrons in the covalent bonds are shifted very easily with respect to the positive ionic cores. The whole solid becomes polarized due to the collective