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文檔簡介
1、介電材料介電材料又叫電介質(zhì),是以電極化為特征的材料。電極化電極化是在電場作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生是在電場作用下分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象相對位移而產(chǎn)生電偶極矩的現(xiàn)象。電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化:電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。極化極化:介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)正負(fù)電荷重心的分離,從而轉(zhuǎn)變成偶極子。也就是說,在電場作用下,構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場方向在有限范圍內(nèi)短程移動,組成一個偶極子,如圖21所示。 設(shè)正電荷與負(fù)電荷的位移矢量為l,則定義此偶極子的電偶極距圖21 偶極子n規(guī)定其方向?yàn)樨?fù)電荷指向正電荷,即電偶極距的方向與外電場E的方向一致。 ql一、介電材料
2、的特征值一、介電材料的特征值1、分子極化率、分子極化率在電場作用下,介電材料的分子產(chǎn)生電偶極矩,而n分子極化率一般由電子極化率e、原子(離子)極化率a和取向極化率0三部分構(gòu)成:E0ae電子極化率電子極化率:在外電場作用下,原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移(如圖22所示),原子中的正負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移,這種極化稱為電子位移極化電子位移極化。30eR34圖22 電子軌道位移n根據(jù)玻爾原子模型,經(jīng)典理論可以計(jì)算出電子的平均極化率e。 離子極化率離子極化率:離子在電場作用下偏移平衡位置的移動,相當(dāng)于形成一個感應(yīng)偶極距。也可理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長。圖23所示是離子位移極化
3、的簡化模型。根據(jù)經(jīng)典彈性振動理論可以估計(jì)出離子位移極化率a n由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)高于電子質(zhì)量,因此極化建立的時間也較電子慢,大約為10-1210-13s。 03a41na圖23 離子位移極化的簡化模型取向極化率取向極化率:沿外場方向取向的偶極子數(shù)大于與外場反向的偶極子數(shù),因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極距,這種極化稱為取向極化取向極化。取向極化率0kT3200n2 2、極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度Pn介電材料的極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和:nVP3 3、靜態(tài)介電常數(shù)靜態(tài)介電常數(shù)靜態(tài)介電常數(shù)和極化強(qiáng)度p的關(guān)系為EP0n從上式中可以看出,介質(zhì)的極化強(qiáng)度P越大,也越大。常用相對靜態(tài)介電常數(shù)r=/0,稱為絕對介電常
4、數(shù)。 n4 4、動態(tài)介電常數(shù)動態(tài)介電常數(shù)*n電介質(zhì)分子的極化需要一定的時間,完成極化的時間叫馳豫時間馳豫時間,其倒數(shù)稱馳豫頻率馳豫頻率f,電子極化的f約1015Hz,相當(dāng)于紫外頻率,原子(離子)極化的f約1012Hz,處于紅外區(qū),取向極化的在1001010Hz之間,處于射頻和微波區(qū)。在交變電場作用下,由于電場頻率不同,極化對電場變化的反應(yīng)也不同。f越大,越小,極化建立需要的:電子極化離子極化取向極化。當(dāng)f1001010Hz時,三種極化都可建立。當(dāng)1010f1013Hz時,取向極化來不及建立,只有離子極化和電子極化能建立。當(dāng)1013fTc時,鐵電現(xiàn)象即消失。當(dāng)TTc時,處于順電相。當(dāng)T=Tc時發(fā)
5、生相變。鐵電相是極化有序狀態(tài),順電相則是極化無序狀態(tài)。其間Tc稱為居里點(diǎn)。(4)介電常數(shù)介電常數(shù)與非鐵電體不同與非鐵電體不同。由于極化的非線性,鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù),而是依賴于外加電場。 三、鐵電體的種類三、鐵電體的種類按照鐵電體極化軸的多少,可將鐵電體分為兩類。一類是只能沿一個晶軸方向極化的鐵電體,即無序有序型鐵電體(軟鐵電體)。另一類是可以沿幾個晶軸極化的鐵電體,這些晶軸在非鐵電相中都是等價的,稱為位移型鐵電體(硬鐵電體)。三、鐵電體的種類三、鐵電體的種類(1)軟鐵電體:只能沿一個晶軸方向極化,從順電相到鐵電相的過渡是從無序-有序的相變,是無序-有序型鐵電體.如KH2PO4.(2)硬鐵
6、電體:可以沿幾個晶軸極化,位移型鐵電體.從順電相到鐵電相的過渡是兩個子晶格之間發(fā)生位移.如BaTiO3. 圖27 反鐵電體的位移和結(jié)構(gòu)示意圖(a)二維反鐵電體晶格結(jié)構(gòu);(b)離子沿對角線反平行位移 n四、反鐵電體四、反鐵電體n反鐵電體是一些離子晶體,它的相鄰行或列上的離子沿反平行的方向自發(fā)極化,最簡單的如圖27(a)所示。圖27(b)則表示離子沿對角線反平行位移的一般情形。 最初發(fā)現(xiàn)具有反鐵電性的晶體為三氧化鎢,當(dāng)溫度高于1010K時,它處于反鐵電相。X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明,鎢離子沿反平行方向位移。后來發(fā)現(xiàn)鋯酸鉛也具有反鐵電相。對鋯酸鉛反鐵電體的研究較多。鋯酸鉛室溫下的介電常數(shù)約為100,可是在230時,介電常數(shù)出現(xiàn)尖銳峰值;當(dāng)溫度高
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