電介質(zhì)物理課件(2013-3)

1、2022-3-141第三章第三章 電介質(zhì)的電導電介質(zhì)的電導 概述概述 氣體介質(zhì)的電導氣體介質(zhì)的電導 液體介質(zhì)的電導液體介質(zhì)的電導 固體介質(zhì)的電導固體介質(zhì)的電導2022-3-1423-1 3-1 概述概述一、載流子一、載流子 離子離子 從能帶理論可知，主要為弱聯(lián)系離子、本征離子從能帶理論可知，主要為弱聯(lián)系離子、本征離子 帶電的分子團帶電的分子團- -膠粒膠粒 液體介質(zhì)中的水珠液體介質(zhì)中的水珠 電子電子 極少，在特殊條件下出現(xiàn)極少，在特殊條件下出現(xiàn)二、導電機構(gòu)二、導電機構(gòu) 離子電導離子電導 由（晶格）結(jié)點上的離子產(chǎn)生的本征離子電導；由（晶格）結(jié)點上的離子產(chǎn)生的本征離子電導； 由雜質(zhì)離子產(chǎn)生的雜質(zhì)離

2、子電導。由雜質(zhì)離子產(chǎn)生的雜質(zhì)離子電導。 電泳電導電泳電導 帶電膠粒形成的基團產(chǎn)生的電導。帶電膠粒形成的基團產(chǎn)生的電導。 電子電導電子電導 一般是由光輻照產(chǎn)生的電子形成電子電導。一般是由光輻照產(chǎn)生的電子形成電子電導。2022-3-143ALnqEjVsmEvvAnqvILAqnv2 nqj 為載流子的遷移率或的介質(zhì)。則：，長度為取截面積為為載流子的電荷量；數(shù)；為單位體積中的載流子；載流子的遷移速度為設(shè)：Eqnjmmiiii0種載流子，如有三、電導率三、電導率 與遷移率與遷移率 的關(guān)系的關(guān)系2022-3-144欲提高介質(zhì)的絕緣性能，可以從兩個方面著手：欲提高介質(zhì)的絕緣性能，可以從兩個方面著手：減小

3、電介質(zhì)的載流子數(shù)減小電介質(zhì)的載流子數(shù),(1) 降低遷移率。降低遷移率。極化和電導的區(qū)別：極化和電導的區(qū)別：離子微小位移離子微小位移產(chǎn)生產(chǎn)生離子從一個電極位移至另一離子從一個電極位移至另一個電極個電極形成電導形成電導2022-3-145介質(zhì)的電導有介質(zhì)的電導有: :體積電導體積電導: :西門子西門子/ /米（用米（用s/ms/m或者或者s/cms/cm表示）表示）表面電導表面電導: :西門子西門子 與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，與電介質(zhì)表面與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，與電介質(zhì)表面吸附的導電雜質(zhì)有關(guān)。吸附的導電雜質(zhì)有關(guān)。 2022-3-1463-2 3-2 氣體介質(zhì)的電導氣體介質(zhì)的電導一、氣體介質(zhì)的電流一、氣體介質(zhì)

4、的電流- -電壓關(guān)系（伏電壓關(guān)系（伏- -安特性曲線）安特性曲線）)/(2mAj)/(mVEIIIIII1E2ESj氣體介質(zhì)的電流氣體介質(zhì)的電流- -電壓關(guān)系電壓關(guān)系2022-3-147負離子的濃度。正離子的濃度；合的離子對數(shù)；單位體積、單位時間復(fù)離的離子數(shù)；單位體積、單位時間電設(shè)：nnZNNnnZnnnsmnnZZN即一般有：）（復(fù)合系數(shù)，對空氣，平衡狀態(tài)下，2312 /106.1 二、氣體介質(zhì)中的載流子濃度二、氣體介質(zhì)中的載流子濃度）是很小的。（），相對于（可得載流子濃度），（），（例：空氣的31903363/11062.6/11580/106.1/153cmNcmnscmscmN2022

5、-3-148EEqNEnqjNnnNnqdj22 .1，弱電場時，在電流很小時，載流子的濃度與無電場的載流子濃度相同。在電流很小時，載流子的濃度與無電場的載流子濃度相同。電壓滿足歐姆定理。氣體介質(zhì)的電流，常數(shù)，因此在弱電場下這是一個與電場無關(guān)的）（，則：、分別為如正、負離子的遷移率Ne2022-3-149SjqNddnNdqjnqdj常數(shù)）（，電場較強時，22 .2高電場區(qū)高電場區(qū) 如電場很高，例如如電場很高，例如E10E106 6V/cmV/cm，離子在電場中獲，離子在電場中獲得很高的能量而產(chǎn)生新的碰撞和電離，使得很高的能量而產(chǎn)生新的碰撞和電離，使n n隨隨E E的增大指數(shù)增加，導致電流的指

6、數(shù)增大的增大指數(shù)增加，導致電流的指數(shù)增大。2022-3-1410 氣體介質(zhì)多處于飽和電流區(qū)工作氣體介質(zhì)多處于飽和電流區(qū)工作, ,氣氣體介質(zhì)飽和電流大小的估算是有實際意體介質(zhì)飽和電流大小的估算是有實際意義的義的. .如何估算如何估算? ?請同學考慮請同學考慮2022-3-1411上次課內(nèi)容上次課內(nèi)容: : 電導率宏觀與微觀電導率宏觀與微觀的關(guān)系的關(guān)系 提高介質(zhì)的絕緣性能的方法提高介質(zhì)的絕緣性能的方法 氣體介質(zhì)的電流氣體介質(zhì)的電流- -電壓關(guān)系電壓關(guān)系 2022-3-14123-3 3-3 液體介質(zhì)的電導液體介質(zhì)的電導液體介質(zhì)結(jié)構(gòu)特點：液體介質(zhì)結(jié)構(gòu)特點： 具有固定的體積，較大的密度（近似固體，是氣

7、體介質(zhì)的具有固定的體積，較大的密度（近似固體，是氣體介質(zhì)的10001000多倍多倍),),具有較大的流動性。具有較大的流動性。常見的液體電介質(zhì)：常見的液體電介質(zhì)： 礦物油礦物油變壓器油、變壓器油、電容器油；電容器油； 植物油植物油蓖麻油、桐油；蓖麻油、桐油； 有機溶劑有機溶劑苯、甲苯、苯、甲苯、四氯化碳；四氯化碳； 新型液體介質(zhì)新型液體介質(zhì)十二烷基苯、十二烷基苯、硅油、硅油、酯類油。酯類油。液體電介質(zhì)的電導率：液體電介質(zhì)的電導率： 純液體介質(zhì)具有很低的電導率純液體介質(zhì)具有很低的電導率 =10=10-13-131010-15-15（cmcm）-1-1， 含有雜質(zhì)的液體介質(zhì)的電導率含有雜質(zhì)的液體介

8、質(zhì)的電導率 =10=10-9-91010-13-13（cmcm）-1-1。液體電介質(zhì)的電導種類：液體電介質(zhì)的電導種類：離子電導，電泳電導離子電導，電泳電導2022-3-1413一、液體介質(zhì)的離子電導一、液體介質(zhì)的離子電導離子的來源離子的來源: : 本征離子：本征離子：液體本身的基本分子熱離解液體本身的基本分子熱離解. . 雜質(zhì)離子：雜質(zhì)離子：外來雜質(zhì)分子離解，外來雜質(zhì)分子離解， 液體本身的基本分子老化的產(chǎn)物液體本身的基本分子老化的產(chǎn)物二、離子電導率與溫度的關(guān)系二、離子電導率與溫度的關(guān)系000u)u +)unnee)neee)uuKTKTuuKTKTKT（ （00（6（6KTqEu22022-3

9、-1414電導率分別為：故離子電導電流密度和）（離子的遷移率為：）（為：離子宏觀平均漂移速度）（：將液體看成類固體，則由熱離子勢壘模型，可KTUKTqEEKTUKTqnnEKTUKTqnn0202000exp6vexp6vexp6)exp(6)exp(60220002200KTUKTqnqnEKTUKTqnEqnj2022-3-1415）（項變化顯著溫度變化的指數(shù)項遠比）（：電導率關(guān)系式可簡化為TBA TaTBTaexpexplnT1本征雜質(zhì)TBATBATBATBATBA2211212211lnlnlnlnlnexpexplnln）（）（雜質(zhì)離子，則：如液體介質(zhì)存在本征和液體介質(zhì)中雜質(zhì)離子電導

10、與本征離子電導過程相同液體介質(zhì)中雜質(zhì)離子電導與本征離子電導過程相同2022-3-1416二、液體介質(zhì)的電泳電導二、液體介質(zhì)的電泳電導1.1.載流子載流子膠粒膠粒 來源：來源：1 1）加樹脂（提高粘度、穩(wěn)定性）加樹脂（提高粘度、穩(wěn)定性）懸浮離子；懸浮離子； 2 2）過量的水）過量的水細小水珠。細小水珠。特點：特點：1 1）膠粒為分子的聚集體，大小在）膠粒為分子的聚集體，大小在1010-6-61010-10-10m m； 2 2）膠粒為分散體系，作布朗熱運動；）膠粒為分散體系，作布朗熱運動； 3 3）膠粒為帶電體，帶電規(guī)律：）膠粒為帶電體，帶電規(guī)律：12212120221011EEED ,ED20

11、22-3-14172.2.華爾頓定律華爾頓定律膠粒的介電常數(shù)為；為膠粒與液體間的電位差；膠粒所帶電荷為；膠粒為球狀，半徑為設(shè)：Vqr07.005.0電場力F摩擦力f運動方向fFvvrfEqF平衡時：膠粒的遷移速度液體的粘度，式中摩擦力：電場力：62022-3-141832644q 40000EvvrfErFrCrC故：球球320nqEvnq膠粒的電導率：CONSTANTrn3820）（適用范圍有限：溫度范圍有限適用范圍有限：溫度范圍有限 不適合雜質(zhì)離子電導不適合雜質(zhì)離子電導2022-3-14193. 3. 液體電導主要是液體電導主要是雜質(zhì)和膠粒雜質(zhì)和膠粒，這都不是液體介質(zhì)的本征，這都不是液體介

12、質(zhì)的本征特性?？梢酝ㄟ^在液體介質(zhì)中特性?？梢酝ㄟ^在液體介質(zhì)中加硅膠和活性劑的精制加硅膠和活性劑的精制方法方法來改善液體介質(zhì)的性能。來改善液體介質(zhì)的性能。液體的本征離子電導是不能去除的液體的本征離子電導是不能去除的, ,是其本身特性是其本身特性. .符合華符合華爾頓定律爾頓定律. .液體介質(zhì)的電泳電導注意兩點液體介質(zhì)的電泳電導注意兩點: 電導率與介電常數(shù)的平方成正比電導率與介電常數(shù)的平方成正比 電泳電導對電泳電導對液體電導率的影響高于液體的離子性電導液體電導率的影響高于液體的離子性電導2022-3-14203-4 3-4 固體介質(zhì)的電導固體介質(zhì)的電導固體介質(zhì)按結(jié)構(gòu)可分為：固體介質(zhì)按結(jié)構(gòu)可分為：

13、晶體晶體 非晶體非晶體固體介質(zhì)的電導按導電載流子的種類可分為：固體介質(zhì)的電導按導電載流子的種類可分為： 離子電導離子電導 在弱場中主要是離子電導在弱場中主要是離子電導 電子電導電子電導 某些物質(zhì)，例如某些物質(zhì)，例如鈦酸鋇，鈦酸鈣，鈦酸鋇，鈦酸鈣， 鈦酸鍶鈦酸鍶等鈦酸鹽類，在常溫時，除離子電導外也呈等鈦酸鹽類，在常溫時，除離子電導外也呈現(xiàn)出現(xiàn)出電子電導電子電導的特性。的特性。固體介質(zhì)導電性質(zhì)的判斷：固體介質(zhì)導電性質(zhì)的判斷： 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 判斷電子電導判斷電子電導 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)判斷離子電導判斷離子電導2022-3-1421SNI-+PalmFBIBvqF2022-3-1422離子的電荷

14、物質(zhì)所需的總電量；析出離子的原子量；法拉第常數(shù)qmQMFQqFMm96496上次課內(nèi)容上次課內(nèi)容: : 液體介質(zhì)的離子電導率與溫度的關(guān)系液體介質(zhì)的離子電導率與溫度的關(guān)系 液體介質(zhì)的電泳電導特點液體介質(zhì)的電泳電導特點 固體介質(zhì)的本征離子電導來源固體介質(zhì)的本征離子電導來源 CONSTANTrn3820）（2022-3-1425參與電導的離子為參與電導的離子為本征和雜質(zhì)離子本征和雜質(zhì)離子SchottkyFrenkel。晶體點陣間隙位置濃度；晶體點陣上的離子濃度）（：）（：離子數(shù)。和離子，如的缺陷電導離子主要為晶體內(nèi)子電導，完整的晶體不會產(chǎn)生離本征離子電導NNKTUNNnFrenkelKTUNn Sc

15、hottkyDefects FrenkelDefects Schottky FFSS2expexp.1一、晶體介質(zhì)的離子電導一、晶體介質(zhì)的離子電導2022-3-1426缺陷離子數(shù)）（電導率為：缺陷離子所形成的離子所需克服的位壘高度。方向遷移時產(chǎn)生的缺陷離子沿電場）（可由熱離子模型求得缺陷離子的遷移率nKTUKTnqnqUKTUKTq022002exp6exp62022-3-1427所需克服的位壘；正離子沿電場方向遷移空位所需的能量；產(chǎn)生一個肖特基正離子）（）（）（導的貢獻：肖特基正離子空位對電）011101221111expexp6exp.1UUTBAKTUUKTNqqnKTUNn SSSSS

16、）（導的貢獻：肖特基負離子空位對電）TBA222exp .22022-3-1428。平均激活能（活化能）晶體中本征離子電導的平均溫度指數(shù)；晶體中本征離子電導的）（）（：本征離子的總電導率為獻。負離子空位對電導的貢負填隙同時，還存在弗蘭克爾）（電導的貢獻：弗蘭克爾正空位離子對）（電導的貢獻：弗蘭克爾正填隙離子對）UBTBAKTUATBATBAexpexp,exp .4exp .343214443332022-3-1429）（）（為：晶體中總的離子電導率此：較本征離子低的多，因由于雜質(zhì)離子的激活能）（雜質(zhì)離子的電導：總TB-expATB-Aexp BB TB-expA .2AAlnT1本征雜質(zhì)低溫

17、時主要由活化能低的雜質(zhì)離低溫時主要由活化能低的雜質(zhì)離子引起電導；子引起電導；高溫時主要由活化能高的本征離高溫時主要由活化能高的本征離子引起電導。子引起電導。2022-3-1430二、無定形固體介質(zhì)的電導二、無定形固體介質(zhì)的電導 玻璃為典型的無定形固體介質(zhì)，它沒有固定的活玻璃為典型的無定形固體介質(zhì)，它沒有固定的活化能，活化能化能，活化能U U為平均值。為平均值。2550022000exp. 13221BOBBSiOcm10 TBA17-：）（）（純玻璃：激活能大，電導率低激活能大，電導率低2022-3-1431LiNaKRC2 2含堿玻璃的電導含堿玻璃的電導: :雜質(zhì)：雜質(zhì)：Na2ONa2O，K

18、2OK2O，Li2OLi2O（典型的弱（典型的弱束縛離子）形成斷鍵束縛離子）形成斷鍵引入一價金屬離子的影響：引入一價金屬離子的影響：1 1結(jié)構(gòu)松散，使結(jié)構(gòu)松散，使U U下降，電導增加。下降，電導增加。2 2缺陷離子數(shù)增加缺陷離子數(shù)增加 ，電導增加，電導增加，也與也與R2OR2O的濃度成正比的濃度成正比2022-3-1432KNa40%60%tan：當玻璃中堿金當玻璃中堿金屬氧化物的總濃度較高，屬氧化物的總濃度較高，而用另一種堿金屬來部分而用另一種堿金屬來部分取代（總濃度保持不變），取代（總濃度保持不變），可降低玻璃的電導率和損可降低玻璃的電導率和損耗，這種效應(yīng)稱為耗，這種效應(yīng)稱為“中和中和效應(yīng)

19、效應(yīng)”。：在堿金屬氧化物玻璃中，加入二價堿土金在堿金屬氧化物玻璃中，加入二價堿土金屬氧化物（屬氧化物（CaOCaO、BaOBaO等），由于二價堿土金屬可使玻等），由于二價堿土金屬可使玻璃結(jié)構(gòu)比單一含一價堿金屬時的結(jié)構(gòu)更緊密，并使勢璃結(jié)構(gòu)比單一含一價堿金屬時的結(jié)構(gòu)更緊密，并使勢壘增高，從而降低玻璃的電導率和損耗。壘增高，從而降低玻璃的電導率和損耗。3 3）降低玻璃的電導方法）降低玻璃的電導方法: :2022-3-1433三、固體介質(zhì)的表面電導三、固體介質(zhì)的表面電導ddSVVVVVVVVVEESIjGmVGVdSI）體積電導（）體積電導率（/11SSSSSSSSSEEIjGVGVdI）表面電導（）

20、表面電導率（/112022-3-1434絕緣電阻與體積、表面電阻的關(guān)系絕緣電阻與體積、表面電阻的關(guān)系 芯片電容器不同工藝斷面圖芯片電容器不同工藝斷面圖2022-3-1436注：注：1 1測量電極測量電極 2.2.高壓電極高壓電極 3.3.保護電極保護電極 4.4.被測試樣被測試樣 2022-3-1437體積電流的測量體積電流的測量 表面電流的測量表面電流的測量 （M M主電極；主電極； H H對電極；對電極； G G保護電極。）保護電極。）體積電流和表面電流的測量體積電流和表面電流的測量2022-3-14381.1.表面吸附的水膜對表面電導的影響表面吸附的水膜對表面電導的影響 2.2.表面清潔

21、度對表面電導的影響表面清潔度對表面電導的影響 表面污染，特別是含有電解質(zhì)的污染，將會引起介質(zhì)表表面污染，特別是含有電解質(zhì)的污染，將會引起介質(zhì)表面導電水膜的電阻率下降，從而使表面電導率上升。面導電水膜的電阻率下降，從而使表面電導率上升。3.3.分子結(jié)構(gòu)對表面電導的影響分子結(jié)構(gòu)對表面電導的影響 親水介質(zhì)親水介質(zhì) 疏水介質(zhì)疏水介質(zhì)親水介質(zhì)：浸潤角親水介質(zhì)：浸潤角 90 9090mv510強極性 對水分子的吸引力強，超過水分子之間的分子內(nèi)聚力，這類介質(zhì)表面所吸附的水分子容易形成連續(xù)的水膜，使表面電導增加。非極性 對水分子的吸引力小于水分子之間的內(nèi)聚力，吸附水在介質(zhì)表面成為孤立的水滴，大氣濕度對表面電導

22、的影響很小影響表面電導的因素：影響表面電導的因素：2022-3-1439六、固體介質(zhì)的電子電導六、固體介質(zhì)的電子電導主要為：主要為： 禁帶寬度（禁帶寬度（EgEg）較小的電介質(zhì)和薄膜介質(zhì)。）較小的電介質(zhì)和薄膜介質(zhì)。來源：來源： 金屬電極、熱電子發(fā)射、場致冷發(fā)射和碰撞電離。金屬電極、熱電子發(fā)射、場致冷發(fā)射和碰撞電離。運動形式：能帶模型（運動形式：能帶模型（Energy Band ModelEnergy Band Model）；）； 跳躍模型（跳躍模型（Hopping ModelHopping Model）；）； 自由電子氣模型（自由電子氣模型（Free Electron Gas ModelFre

23、e Electron Gas Model）2022-3-14401. 1. 能帶模型能帶模型ECmaxECEVEVminEFEg。能級上電子的占有幾率導帶的能級狀態(tài)密度；晶體的體積；）（。，價帶上的空穴濃度為為濃度設(shè)晶體中導帶上的電子)()()(1maxEfEDVdEEDEfVnpnnEEnCC為普朗克常數(shù)。為電子有效質(zhì)量，為：導帶底附近的狀態(tài)密度hmEEhmVEDece*21323*)()2(4)(KTEEnFeEfE11）（占據(jù)的幾率為：的量子態(tài)被一個電子能量為2022-3-1441KTEEnFFCCFeEf KTEEKTEEEE）（，故：，即，而對電介質(zhì)量應(yīng)滿足導帶中電子所具有的能導帶有效狀態(tài)密度CeCKTEECNhKTmNeNnFC323*)2(2價帶有效狀態(tài)密度ppVKTEEVNhKTmNeNpVF323*)2(2KTEgepn2VCNNpn ，故：全由價帶激發(fā)，即電介質(zhì)中，導帶電子完2022-3-1442 當當E Eg g3ev3ev時，本征激發(fā)的電子和空穴濃度很低，時，本征激發(fā)的電子和空穴濃度很低，故電子電導不明顯。故電子電導不明顯。 但介質(zhì)中同樣存在類似半導體的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)但介質(zhì)中同樣存在類似半導體的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)形成淺能級。形成淺能級。KTEgepn2VCNNpn ，故：全由價帶激發(fā)，即電介質(zhì)中，導帶電子完2022-3