第七章電介質(zhì)材料和絕緣ppt課件

1、7.4 7.4 頻率依賴：介電常數(shù)與介電損耗頻率依賴：介電常數(shù)與介電損耗介電馳豫：介電馳豫：電介質(zhì)的極化是一個弛豫過程，從施加電場到達(dá)極化平衡電介質(zhì)的極化是一個弛豫過程，從施加電場到達(dá)極化平衡需要一定的時間，這個滯后的時間用弛豫時間需要一定的時間，這個滯后的時間用弛豫時間 描繪。描繪。電子極化和離子極化的時間非常短，而固有電矩的取向極電子極化和離子極化的時間非常短，而固有電矩的取向極化與熱平衡性質(zhì)有關(guān)，界面極化與電荷的堆積過程有關(guān)，它們化與熱平衡性質(zhì)有關(guān)，界面極化與電荷的堆積過程有關(guān)，它們則有較長的弛豫時間。則有較長的弛豫時間。極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移D

2、 D 和場強(qiáng)和場強(qiáng)E E具有一定的具有一定的位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個原因，研究極化弛豫可獲得位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個原因，研究極化弛豫可獲得關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。 Fig 7.12From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)ttEEoEpd(0)Epd(0)Ed(0)Eo0The dc field is suddenly changed from Eoto E at time t = 0. Theinduced

3、dipole moment p has to decrease fromd(0)Eoto a final valueofd(0)E. The decrease is achieved by random collisions of moleculesin the gas.(0)(7.24)dpEdpdt 0exp()EEj t在交變電場的作用下在交變電場的作用下在上圖的電場作用下在上圖的電場作用下0(0)exp()(7.25)ddppEj tdt 00(0)( )exp()exp()(7.26)1ddpEj tEj tjFig 7.13From Principles of Electronic

4、 Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v = VosintP = Posin(t -)E = Eosint(a)rrr(0)11/10/100/0.01/0.1/r andr(b)(a) An ac field is applied to a dipolar medium. The polarization P (P = Np) isout of phase with the ac field. The relative permittivity is a complex numberwith

5、 real (r) and imaginary (r) parts that exhibit frequency dependence.相對介電常數(shù)：相對介電常數(shù)：又稱電容率或相對電容率又稱電容率或相對電容率, ,表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個重要數(shù)據(jù)一個重要數(shù)據(jù), ,常用常用rr表示。它是指在同一電容器中用同一物表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值質(zhì)為電介質(zhì)和真空時的電容的比值, ,表示電介質(zhì)在電場中貯存靜表示電介質(zhì)在電場中貯存靜電能的相對能力。電能的相對能力。表征介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量叫介電常數(shù)。表征介質(zhì)在外電場作用下極

6、化程度的物理量叫介電常數(shù)。（在交變電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映（在交變電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗）。實際上，介電常數(shù)并不是一個不變的數(shù)，在了介質(zhì)的損耗）。實際上，介電常數(shù)并不是一個不變的數(shù)，在不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。(7.27)rrj實部代表相對介電常數(shù)，虛部代表電介質(zhì)中偶極子在電場實部代表相對介電常數(shù)，虛部代表電介質(zhì)中偶極子在電場作用下克服隨機(jī)碰撞的干擾，沿著不同方向來回取向時發(fā)作用下克服隨機(jī)碰撞的干擾，沿著不同方向來回取向時發(fā)生的能量消耗。生的能量消耗。解釋為什么取負(fù)號。解釋為什么取負(fù)號。教材教材

7、497497頁關(guān)于圖頁關(guān)于圖7.137.13的解釋。的解釋。Fig 7.13From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v = VosintP = Posin(t -)E = Eosint(a)rrr(0)11/10/100/0.01/0.1/r andr(b)(a) An ac field is applied to a dipolar medium. The polarization P (P = Np) isout of phase w

8、ith the ac field. The relative permittivity is a complex numberwith real (r) and imaginary (r) parts that exhibit frequency dependence.Fig 7.14From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v=VosintP=Posin(t -)CConductance =Gp= 1/Rp?v=VosintThe die

9、lectric medium behaves like an ideal (lossless) capacitor of capacitance C which is in parallel with a conductance Gp.000( )( )( )rrrj Aj AAYj Cddd (7.28)pYj CG0( )(7.29)rACd 0( )(7.30)rpAGd 如圖如圖a所示，在真空電容器所示，在真空電容器 二端加上交流電壓二端加上交流電壓 產(chǎn)生的電流為產(chǎn)生的電流為 ，其相位圖見，其相位圖見b）。若在電容器中充以）。若在電容器中充以電介質(zhì)圖電介質(zhì)圖c）。可作起等效電路圖）?？?/p>

10、作起等效電路圖d），其中），其中 為為純電容，純電容， 為等效電導(dǎo)，相位圖見為等效電導(dǎo)，相位圖見e）。這時總電流為：）。這時總電流為：0C0jwtVV e0 0jwtIjwCVeCGcIIGVIcI滯后滯后 一個角度一個角度 ：2、在交變電場中的電介質(zhì)、在交變電場中的電介質(zhì)11GCIGtgtgIwC1100,GrCCQCIGIIGVtgtgQCIwC根據(jù)式根據(jù)式可得：可得：00000,rrrrrrGwCtgIjwCwCtgVjwjtgC VIjw CV 其中其中 定義為復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)，簡稱復(fù)介電常數(shù)：定義為復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)，簡稱復(fù)介電常數(shù)：rrrrrrjtgj 稱為介質(zhì)損耗角。一般的電工介質(zhì)

11、材料稱為介質(zhì)損耗角。一般的電工介質(zhì)材料 約為約為 ，用于，用于光纖通信等的石英光纖玻璃，光纖通信等的石英光纖玻璃， 可小至可小至 。410781010 的實部的實部 即為靜電場下介質(zhì)的相對介電常數(shù)即為靜電場下介質(zhì)的相對介電常數(shù) ，它反映介質(zhì)的儲存電荷的能力；它反映介質(zhì)的儲存電荷的能力； 的虛部的虛部 表示電介表示電介質(zhì)電導(dǎo)引起的電場能量的損耗，它的物理意義是單位質(zhì)電導(dǎo)引起的電場能量的損耗，它的物理意義是單位體積介質(zhì)中當(dāng)單位場強(qiáng)變化一周時所消耗的能量，這體積介質(zhì)中當(dāng)單位場強(qiáng)變化一周時所消耗的能量，這些能量通常轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。些能量通常轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。rrrrr 把把 隨外電場頻率隨外電場

12、頻率 變化的過程稱為介電色散。在一變化的過程稱為介電色散。在一定的頻率范圍內(nèi)，測量介電常數(shù)隨頻率變化的特性曲線稱定的頻率范圍內(nèi)，測量介電常數(shù)隨頻率變化的特性曲線稱為介電譜。在交變電場作用下，電介質(zhì)中的原子、分子、為介電譜。在交變電場作用下，電介質(zhì)中的原子、分子、偶極矩都會吸收電場的能量，使它們自己處于較高的能量偶極矩都會吸收電場的能量，使它們自己處于較高的能量狀態(tài)或轉(zhuǎn)化成熱能，這些統(tǒng)稱為介電吸收介電損耗）。狀態(tài)或轉(zhuǎn)化成熱能，這些統(tǒng)稱為介電吸收介電損耗）。 rw2200(7.32)volrrWEEtg Fig 7.15From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)參見參見p498p498的解釋的解釋介質(zhì)損耗 dielectric loss如果交變電場的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場的變化，這時電介質(zhì)的極化過程與靜電場作用下的極化過程沒有多大的區(qū)別。如果交變電場的頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度就會跟不上外電場的變化而出現(xiàn)滯后，從而引起介質(zhì)損耗。 動態(tài)介電常數(shù)也不同于靜態(tài)介電常數(shù)。所謂介質(zhì)損耗，就是在某一頻率下供給介質(zhì)的電能，其中有一部分因強(qiáng)迫固有偶極矩的轉(zhuǎn)動而使介質(zhì)變熱，即一部分電能以熱的形式而消耗?？?/p>