電介質(zhì)物理ppt

1、l鄧 宏l電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院 電介質(zhì)材料的研究與發(fā)展成為一個工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)科領(lǐng)域 ,是在 2 0世紀(jì)隨著電氣工業(yè)的發(fā)展而形成的。 “工程電介質(zhì)”是隨著 20世紀(jì)電氣化時代的到來而發(fā)展形成的一門學(xué)科和生產(chǎn)領(lǐng)域 ,它在 21世紀(jì)到來之際 ,將隨著信息和生物等新興技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展會有更廣闊的前景。 前言前言一、一、2 02 0世紀(jì)電介質(zhì)學(xué)科的發(fā)展和貢獻(xiàn)世紀(jì)電介質(zhì)學(xué)科的發(fā)展和貢獻(xiàn)1.1.電介質(zhì)學(xué)科的起源和對電氣工業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)電介質(zhì)學(xué)科的起源和對電氣工業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)2.2.電介質(zhì)學(xué)科的建立和發(fā)展電介質(zhì)學(xué)科的建立和發(fā)展 二、工程電介質(zhì)發(fā)展的熱點(diǎn)問題展望二、工程電介質(zhì)發(fā)展的熱點(diǎn)問題展望1.1.傳統(tǒng)

2、絕緣電介質(zhì)的發(fā)展傳統(tǒng)絕緣電介質(zhì)的發(fā)展2.2.功能電介質(zhì)功能電介質(zhì)3.3.生物電介質(zhì)生物電介質(zhì)4.4.其它工業(yè)應(yīng)用新發(fā)展其它工業(yè)應(yīng)用新發(fā)展 20世紀(jì)初葉的電氣設(shè)備電壓低、電流不很大 ,電機(jī)、電線、電纜、開關(guān)等設(shè)備的絕緣都采用了天然材料 ,如云母、瀝青、絕緣紙、礦物油、天然橡膠、大理石板等 ,它們的電氣性能如絕緣電阻、耐壓等都較低。隨著電氣設(shè)備電壓的上升 ,特別是大容量電機(jī)及高壓輸電設(shè)備的發(fā)展 ,急需提供新型絕緣介質(zhì)。在2 0世紀(jì)中葉 ,化學(xué)合成技術(shù)飛速發(fā)展 ,出現(xiàn)了新型合成高分子材料 ,由于它們一般絕緣性能良好、易加工 ,為新型絕緣介質(zhì)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了極好的條件。經(jīng)過近代的研究和發(fā)展 ,聚合物

3、介質(zhì)已成為各種新絕緣介質(zhì)的主體 ,如電機(jī)中采用的環(huán)氧云母和合成纖維紙板作介質(zhì)并浸漬硅有機(jī)漆作主絕緣 ,電線電纜絕緣則由油紙絕緣發(fā)展為塑料絕緣。國外塑料電纜產(chǎn)品已達(dá) 500 k V，國內(nèi)達(dá) 220 k V,合成的十二烷基苯二芳基烷烴等液體介質(zhì)和聚丙烯薄膜已作為電力電容器的主絕緣。 這些高分子合成材料不僅絕緣強(qiáng)度高、加工性能好 ,而且經(jīng)過組成、結(jié)構(gòu)的改變 ,還能提高其耐熱、阻燃、耐油等特性 ,這大大促進(jìn)了電氣工業(yè)產(chǎn)品性能的提高和發(fā)展 ,如電機(jī)絕緣由Y(0 )級、A級 耐熱 90- 105 ,天然棉絲紙絕緣 ,發(fā)展到 C級 耐熱 200 ,聚酰亞胺絕緣 ,聚乙烯塑料電纜通過采用化學(xué)交聯(lián)或輻照交聯(lián) ,

4、耐溫也由 75提高到 90。我國制造電機(jī)的容量亦由 50年代的 6千千瓦發(fā)展到自制 6 0萬千瓦 ,電能原是少數(shù)大城市使用的稀缺能源 ,目前已成為城、鄉(xiāng)村、工、農(nóng)業(yè)、人民生活不可缺少的能源。應(yīng)該說絕緣介質(zhì)的發(fā)展為世界各國電氣化事業(yè)作出了重要的貢獻(xiàn)。back國際上電介質(zhì)學(xué)科是在 20世紀(jì) 20年代至 30年代形成的 ,具有標(biāo)志性的事件是 :電氣及電子工程師學(xué)會 (IEEE)在 1920年開始召開國際絕緣介質(zhì)會議 ,以后又建立了相應(yīng)的分會 (IEEE Dielectric andElectrical Insulation Society)。美國 MIT建立了以 Hippel教授為首的絕緣研究室。蘇

5、聯(lián)列寧格勒工學(xué)院建立了電氣絕緣與電纜技術(shù)專業(yè) ,莫斯科工學(xué)院建立了電介質(zhì)與半導(dǎo)體專業(yè)。特別是德國德拜教授在 2 0世紀(jì) 3 0年代由于研究了電介質(zhì)的極化和損耗特性與其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系獲得了諾貝爾獎 ,奠定了電介質(zhì)物理學(xué)科的基礎(chǔ)。隨著電氣和電子工程的發(fā)展，形成了研究電介質(zhì)極化、損耗、電導(dǎo)、擊穿為中心內(nèi)容的電介質(zhì)物理學(xué)科。back我國電介質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展是在 1952年第一個五年計劃制定和實行以來 ,電力工業(yè)和相應(yīng)的電工制造業(yè)得到迅速發(fā)展 , 這些校、院、所首先在我國開展了有關(guān)電介質(zhì)特性的研究和人才的培養(yǎng) ,并開出了“電介質(zhì)物理”、“電介質(zhì)化學(xué)”等關(guān)鍵專業(yè)課程 ,西安交大與上海交大、哈爾濱工大等院校一道為

6、我國培養(yǎng)了數(shù)千名絕緣電介質(zhì)專業(yè)人才 ,促進(jìn)了我國工程電介質(zhì)的發(fā)展。 80年代初中國電工技術(shù)學(xué)會又建立了工程電介質(zhì)專業(yè)委員會。back 由于通訊、雷達(dá)、電視及計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展 ,用電的頻率由工頻提高到無線電頻率 (兆赫 )到光頻。 這對介質(zhì)中的極化損耗的降低提出尖銳的要求。 隨著計算機(jī)的廣泛使用 ,對計算機(jī)控制 ,要求必須研究具有多種功能的執(zhí)行元件。其中大量的是具有電-機(jī)械、光電轉(zhuǎn)換的介質(zhì)器件 ,因而電介質(zhì)研究領(lǐng)域就從絕緣領(lǐng)域擴(kuò)展到電子功能器件領(lǐng)域 ,如新型大屏幕彩電就應(yīng)用了氣體介質(zhì)放電、電致發(fā)光、電致液晶等技術(shù)。 新型電力電子器件及電氣設(shè)備中要用到許多新型功能介質(zhì)材料 ,如 ZnO壓敏電阻避雷

7、器、電力電子器件中開拓應(yīng)用的導(dǎo)熱絕緣材料、變壓器中絕緣油老化含水檢測的傳感器件等。至此工程電介質(zhì)不僅包括絕緣電介質(zhì) ,而且包括各種電子功能電介質(zhì)。傳統(tǒng)絕緣電介質(zhì)的發(fā)展 在電氣絕緣領(lǐng)域中目前研究最多的仍是塑料電纜。隨著電氣設(shè)備在航天、航海、核能、礦井、電氣機(jī)車、高層建筑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 ,對于絕緣電介質(zhì)在耐高低溫、抗輻射、耐油、阻燃等方面都有更高的特殊要求 ,因此需要研究各種阻燃非燃電纜材料、梯度分布均電場介質(zhì)、自恢復(fù)絕緣介質(zhì)、超低溫超導(dǎo)絕緣介質(zhì)、耐核輻射絕緣介質(zhì)等。這些材料多采用有機(jī)與無機(jī)介質(zhì)的復(fù)合來達(dá)到其綜合性能要求。 back功能電介質(zhì)功能電介質(zhì) 1 )納米材料納米材料是幾何尺寸介于原子、

8、分子與塊狀物體之間的金屬以及各種化合物的粒子或粒子的集合體。隨著粒子的粒徑的減小 ,表面原子對材料的性能的影響加劇 ,即出現(xiàn)表面效應(yīng) ;粒子的體積的減小引起體積效應(yīng) ,表現(xiàn)了粒子的量子尺寸效應(yīng) ,因而納米粒子在熱、光、磁等物理性能上表現(xiàn)出種種異常 ,具有特殊的電學(xué)、光學(xué)特性。當(dāng)前納米材料的研究的特點(diǎn)是從單相轉(zhuǎn)向復(fù)相納米材料。納米材料的應(yīng)用涉及到人類生活的各個領(lǐng)域 ,如特異性導(dǎo)電材料、電磁波共振器、超低溫遠(yuǎn)紅外材料、高活性催化劑等 ,有的已進(jìn)入實用階段 ,有的具有誘人的研究前景。預(yù)計用納米超微粉改性絕緣電介質(zhì)將會在絕緣技術(shù)領(lǐng)域形成新的突破口。back功能陶瓷介質(zhì)功能陶瓷介質(zhì) 近年來 ,隨著電子技

9、術(shù)、空間技術(shù)、激光技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)的興起以及基礎(chǔ)理論和測試技術(shù)的發(fā)展 ,人們創(chuàng)造各種性能的功能陶瓷介質(zhì)。主要有 :(1 )電子功能陶瓷如高溫高壓絕緣陶瓷、高導(dǎo)熱絕緣陶瓷、低熱膨脹陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、導(dǎo)電陶瓷等 ;(2 )化學(xué)功能陶瓷如各種傳感器 ,化學(xué)泵等 ;(3 )電光陶瓷和光學(xué)陶瓷如鐵電、壓電 ;熱電陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纖等。back功能高分子材料 新型高分子材料的開發(fā)、特別是無機(jī)材料與高分子材料的復(fù)合產(chǎn)生了許多功能材料 ,如導(dǎo)電高分子材料、光電轉(zhuǎn)換高分子材料、導(dǎo)熱絕緣高分子材料、PTC高分子材料、吸波高分子材料以及低損耗塑料光導(dǎo)纖維等。這些都為工程電介質(zhì)的研究

10、開辟了新的領(lǐng)域。 back生物電介質(zhì) 研究表明 ,生物大分子的生物活性和電性能之間存在明顯的相關(guān)性。對各種動物肌肉的研究發(fā)現(xiàn) ,它們的低頻介電譜隨細(xì)胞的生物活性的變化而變化 ,利用這種效應(yīng)可以對人體的癌變細(xì)胞進(jìn)行診斷 ,也可對肉食產(chǎn)品和水果的新鮮度進(jìn)行檢測 。 生物體在一定條件下 (高頻或低溫 )具有介質(zhì)特性 ,即有極化損耗等特性 ,利用這些特性就可以造福于人類 ,如微波治癌、電磁育種、電磁脈沖消毒、控制生物體的再生等，但也要注意電磁場的負(fù)面作用，防止電磁污染 (脈沖及高頻電磁場損傷 )。 back其它工業(yè)應(yīng)用新發(fā)展 物質(zhì)的介電性能與其結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，且在物理化學(xué)過程中其介電性能的變化幅度大

11、、規(guī)律性好，可用介電分析研究這些物理化學(xué)過程。另外微波化學(xué)合成、微波采油技術(shù)都有很好應(yīng)用前景。 back一、電介質(zhì)的性能一、電介質(zhì)的性能1.1.從電場特性來看從電場特性來看（a a）導(dǎo)體中：內(nèi)部電場為零（平衡狀態(tài)），電場終止于導(dǎo)導(dǎo)體中：內(nèi)部電場為零（平衡狀態(tài)），電場終止于導(dǎo)體表面并與表面垂直。體表面并與表面垂直。（b b）在介質(zhì)中：內(nèi)部存在電場。在介質(zhì)中：內(nèi)部存在電場。如平板電容器：如平板電容器：E電介質(zhì)介電常數(shù)單位面積電荷密度2.2.能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別電介質(zhì)：能級的基態(tài)被占滿，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)間的禁帶很寬，以至電子從正常態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量，足以使電介質(zhì)受到破壞。（a）電介質(zhì)

12、（b）半導(dǎo)體（c）導(dǎo)體E價帶導(dǎo)帶Eg禁帶Eg: 3.58eVEg: 0.73.5eV3.電阻率V的范圍：導(dǎo)體：10-6 m半導(dǎo)體：10-6 106 m電介質(zhì)：1091018 m（或更高）4.載流子：導(dǎo)體的載流子為電子；半導(dǎo)體的載流子為電子和空穴；電介質(zhì)的載流子主要為離子。在傳導(dǎo)上，導(dǎo)體為自由電子，而介質(zhì)則以電極化。故對極化的研究是介質(zhì)物理的主要任務(wù)。5.電阻率VT的關(guān)系：T(k)V( m)DielectricsConductorSemi-當(dāng)然，象任何分界一樣，將物質(zhì)分成介質(zhì)、半導(dǎo)體和導(dǎo)體是一種慣例。同一種物質(zhì)由于外界條件的不同，并由于所受電場的作用不同，可以是導(dǎo)體或介質(zhì)。例如，許多在通常意義上

13、稱為介質(zhì)的材料（如玻璃、晶體等），在溫度足夠高時，則成為導(dǎo)體；高溫下的氣態(tài)金屬則是介質(zhì)；水在直流或低頻下是導(dǎo)體，而在高頻則是介質(zhì)；所有已知的介質(zhì)在足夠高的電場下都成為導(dǎo)體這是一個辨證的統(tǒng)一。“電介質(zhì)”一詞作為形容詞時概括了范圍很廣的材料。對任何一個可賦予介電常數(shù)的物質(zhì)，均可視為電介質(zhì)，至少在高頻下是這樣。二、電介質(zhì)的定義1.法拉第定義：能被電力線所直通或橫慣地作用的物質(zhì)稱為電介質(zhì)。2.前蘇聯(lián)科學(xué)院：電介質(zhì)是這樣一種物質(zhì)，在電場中具有極化能力，并且在其中能長期地存在電場的物質(zhì)。3.我國定義：在電場作用下，能產(chǎn)生極化與偶極子，并存在有內(nèi)電場的物質(zhì)稱為電介質(zhì)。三、電介質(zhì)的分類1.凝聚態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、

14、固態(tài)。2.組成成分：3.化學(xué)結(jié)構(gòu)：對稱性中性介質(zhì)：電矩=0，如苯類、烷烴類極性介質(zhì)：電矩=0.3-10D（德拜）有機(jī)電介質(zhì)無機(jī)電介質(zhì)4.極化強(qiáng)度（P）與電場強(qiáng)度（E）的關(guān)系P-E線性：位移式極化P-E非線性：自發(fā)式極化5.按形狀分類塊狀，膜狀；零維-三維。四、電介質(zhì)物理的學(xué)習(xí)內(nèi)容電介質(zhì)物理是以電介質(zhì)為研究對象的一門學(xué)科，它從物理學(xué)科中分離出來成為一門獨(dú)立的分支，是近幾十年的事，其研究內(nèi)容是揭示電介質(zhì)基本特性（如：電極化、損耗、電導(dǎo)和擊穿）的物理本質(zhì)，探討電介質(zhì)在電場作用下所發(fā)生的物理過程與電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成之間關(guān)系的規(guī)律性。12r，真空介電常數(shù)米牛庫米法無量綱數(shù)（相對介電常數(shù)），電荷所在介質(zhì)的

15、介電常一、庫侖定理：靜電場基本定理電介質(zhì)極化第一章、恒定電場下的mN/C,/1085. 8FFrr4qqF. 112222120211220211任何一電荷系統(tǒng)的周圍均有庫倫力的作用，電荷庫侖力能影響的區(qū)域稱為電場。iiii20EEFFrr4qE/qFE疊加原理：庫侖力和電場強(qiáng)度滿足即：庫侖牛頓量綱jm1j2jjzzzyzxyzyyyxxzxyxx20rrq41Dm/ED個點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場：對于由對各向異性介質(zhì)：米庫量綱四、高斯定理 設(shè)點(diǎn)電荷q被任意封閉面所包圍，在S面上任意一點(diǎn)的電位移D的大小將等于q/4r2，其方向?qū)⑴cq所在點(diǎn)至該點(diǎn)的徑向量相同。于是穿過單元面積dS的電位移通量d為：dV)

16、z,y,x(dSD)z,y,x(Sqmqd4qdSr4cosqdqdSr/cosdSdScosr4qdSDdVSm1jjSS222，則：分布電荷密度為中的電荷為分布電荷，如封閉面?zhèn)€點(diǎn)電荷的體系：對有：量移通通過此封閉面的總電位。于是點(diǎn)所對應(yīng)的立體角在正是面積元SqidSdDD例zkyjxis NabblaUGradUEr4dVdEUorr4qUPq,q,qdEdEUUBABAV0pPm1jj0jPm21BAABBA點(diǎn)的電位為：）體系中，在多電荷（電位差，即：兩點(diǎn)間的、的功稱為（電場）對該電荷所作，移動至另一點(diǎn)一點(diǎn)電位正電荷從電場中的xyzIIIyDdyyDDyyszyxyyyyyyysdDdz

17、dydxzDyDxDdzdydxyDdzdxdyyDDdzdxDIIIdzdxdyyDDII,dzdxDIdzdydxdV為：六個面的總電位移通量為：總共穿出的電位移通量面和表，于是由表面：穿出的電位移通量則為由表面的電位移通量為：穿出的表面在單元體積0U0) z, y, x() z, y, x(U) z, y, x(zUyUxUzUEEDyUEEDxUEED) z, y, x(zDyDxDD) z, y, x(dV2020222222zz0zyy0yxx0 xzyx時，則為拉普拉斯方程當(dāng)即：泊松方程，則由高斯定理：內(nèi)的電荷密度為如單元體積sinsinr1sinr1rrrr1zr1rr1rzy

18、x22222222222222222222222注：常用邊界條件：在導(dǎo)體與電介質(zhì)的界面上，由于導(dǎo)體表面是一等電位面，電場強(qiáng)度，電位移必須與導(dǎo)體表面垂直；在兩種不同的介質(zhì)界面上，且當(dāng)界面上沒有電荷集聚時，電位移向量的垂直界面的分量應(yīng)當(dāng)連續(xù)，即：D1n=D2n 或 E1n/E2n=2/1另一方面，由于電場為保守場，電場強(qiáng)度在兩個不同介質(zhì)的交界面上的切線分量應(yīng)當(dāng)連續(xù)，即E1t=E2t。介質(zhì)1介質(zhì)212N1E2E212122201110tantancosEcosE所在點(diǎn)的徑向量。電荷為定點(diǎn)（參考點(diǎn)）至點(diǎn)式中）德拜（米（量綱：庫極矩定義為：荷的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電個點(diǎn)電矩是一向量。在所在點(diǎn)的徑向量，電極為定

19、點(diǎn)至電荷，義為的電極矩（或電矩）定對某一定點(diǎn)（參考點(diǎn)）點(diǎn)電荷jj29jm1jjqrD103)mcrqmqrrqqq參考點(diǎn)rjjjjjjjqr) rr (qr0q為：化量時，系統(tǒng)的總電極矩變當(dāng)參考點(diǎn)移動的位置無關(guān)。極矩與參考點(diǎn)）的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電對于總電荷量等于零（rjrxyz+Q-QnrprnprrQrQrQrqnpjjj對如圖所示系統(tǒng)：負(fù)電荷至正電荷。的方向矢量，其方向由間為兩電荷（正、負(fù)）之，。電偶極矩電極矩稱為電荷量，其，由于正電荷量等于負(fù)在總電荷等于零的體系Q理想偶極矩或點(diǎn)偶極矩的概念理想偶極矩或點(diǎn)偶極矩的概念：r+q-qO或點(diǎn)偶極矩（子）。稱為理想偶極矩（子）時，滿足的距離與偶極矩重

20、心參考點(diǎn)、或所選定的如如圖偶極矩rrO0q）（點(diǎn)處的電勢在1cosr4qcosr4qUO2020處的電勢為條件的參考點(diǎn)位于點(diǎn)，滿足設(shè)一點(diǎn)電荷的個別現(xiàn)象偶極矩的概念是極矩中i0iQ41)M(UaQA（QI）MOar 1)COS2(COS214QMU1r /aOAOM2OAOMAM220i22221和則：令：而極子的電勢的點(diǎn)的四極子電勢點(diǎn)的電勢點(diǎn)偶極子的電勢點(diǎn)的單極子在其中：寫成：從物理意義考慮，可將勒讓德函數(shù)展開利用nniiiiiinnnnnnniOUOraQUOAQraQUQOrQUUUUUUMUMUddnPPrQMUxn221cos234cos44)()(1coscos!21coscos41

21、123022201002421020021任何一電荷系統(tǒng)（如分子中的電荷），在該電荷組足夠遠(yuǎn)的某一點(diǎn)M來看，可看成是點(diǎn)多極子的電勢疊加。即：一個單極子Q0（標(biāo)量）；一個點(diǎn)偶極子 （矢量）；一個點(diǎn)四極子（二階張量）；一個點(diǎn)2n極子（ 2n階張量）。例例 試求位于正方體的六個面心上六個理想偶極子在立試求位于正方體的六個面心上六個理想偶極子在立方體中心產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。方體中心產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。答案軸平行。，方向與有偶極矩的大小等于為正六面體的邊長，所標(biāo)分別為，六個理想偶極矩的坐以正六面體中心為原點(diǎn)解：za2)0 , 0 , a (m)0 , 0 , a(m)0 , a, 0(m)0 , a, 0(m)

22、a, 0 , 0(m)a, 0 , 0(m654321305220z16305220z15305220z14305220z13305220z22305220z1y1x11a4aaa341Ema4aaa341Ema4aaa341Ema4aaa341Ema42aaa341Ema42aaa341E0E0Em度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩度：在中心點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)點(diǎn)偶極矩于是：構(gòu)的中心點(diǎn)電場為零同樣可證明所有對稱結(jié)度：于是在中心點(diǎn)的電場強(qiáng)0) 111122(a4EEEEEEE

23、0EEEEEEE0EEEEEEE30z6z5z4z3z2z1zy6y5y4y3y2y1yx6x5x4x3x2x1x電介質(zhì)的極化和極化強(qiáng)度電介質(zhì)的極化和極化強(qiáng)度極化的定義極化的定義：在電場的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向感應(yīng)出偶極矩，即在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷的物理現(xiàn)象。極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度定義為電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的向量和，即Vp量綱：庫/米2 C/m2極化強(qiáng)度是表征電介質(zhì)在電場作用下極化程度的向量。電介質(zhì)在電場作用下，一方面感應(yīng)出偶極矩，另一方面在電介質(zhì)表面感應(yīng)出束縛電荷。表面感應(yīng)束縛電荷的大小亦表征了電介質(zhì)在電場作用下極化的程度，因此，極化強(qiáng)度p與感應(yīng)出的表面束縛電荷應(yīng)存在一定的關(guān)

24、系。-EnSVnpcospcosSVSVp故：而：則：、荷密度分別為如圖所示的表面束縛電電介質(zhì)極化的宏觀、微觀概念A(yù)QUQCQ. 100000則：電荷為器，在真空下極板上的對如圖所示的平板電容極化的宏觀概念+ +-+ +-0000000000QQQCCA/ )QQ(UQQUQCQQ之和，即：與感應(yīng)束縛電荷荷電極上的電荷為自由電電容器的電介質(zhì)加入后，平板當(dāng)（相對）介電常數(shù)為000000EDA2A2EA2EdAEdAD即則：由高斯定理：1Ep1EEE0000故E1pnE1nEnEnEnD0000000E) 1(p0+ +-極化強(qiáng)度的宏觀式極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場作用下，雖然正電荷沿電場

25、方向移動，負(fù)電荷逆電場方向移動，但它們并不能離開介質(zhì)形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移出現(xiàn)偶極矩，這個現(xiàn)象叫做極化。E中性介質(zhì)離子型介質(zhì)極性介質(zhì)宏觀、微觀極化的關(guān)系宏觀、微觀極化的關(guān)系E) 1(prq0iii宏觀極化：微觀極化：如設(shè)N為單位體積內(nèi)的偶極矩數(shù)，且把每個偶極矩看成相等，令其為Np則：因：Vpii產(chǎn)生的電場的影響。偶極矩電介質(zhì)內(nèi)其他粒子感應(yīng)除被考慮偶極矩以外，有關(guān)，同時還受到電場來說，不僅與外加宏觀對E有效電場 實際上引起電介質(zhì)中粒子產(chǎn)生感應(yīng)電極矩的電場，稱為有效電場iE顯然：iE有關(guān)。）。它與被研究的粒子率（常數(shù)，稱為極化是與電介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的的定義：比例常數(shù)lityPolariz

26、abiE) 1(pENp0i由此：微觀極化宏觀極化EEN1ENE) 1(pii0或：宏觀、微觀聯(lián)系式宏觀、微觀聯(lián)系式對電介質(zhì)極化的研究：對電介質(zhì)極化的研究：提高電介質(zhì)介電常數(shù)：提高電介質(zhì)介電常數(shù)：iE).3 ;).2 ;N).1克勞修斯方程克勞修斯方程EEN1ENE) 1(Pi0i0或：極化率（極化率（Polarizability) 分子的極化及極化率：根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；偶極矩轉(zhuǎn)向極化。位移極化；偶極矩轉(zhuǎn)向極化。EE 220i/E米法米庫牛米庫電子位移

27、極化電子位移極化率定義：在外電場作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對在外電場作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移，這種極化稱為電子位移極化（電于原子核發(fā)生位移，這種極化稱為電子位移極化（電子極化），其極化率稱為電子位移極化率子極化），其極化率稱為電子位移極化率 e.e.。在外電場作用下，電子云相對原子核的位移是彈性聯(lián)系，其振動頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時間極短，約10-1510-16s。電子位移極化率e電子位移極化的量子力學(xué)模型： 我們考慮一個由帶正電的核和圍繞核的Z個電子所組成的原子體系。且整個體系是完全孤立的，即，體系不受任何擾動。dexMMUUMEU

28、UUUUUUUUUUU0kZi1ii0jjk0k0jjk0j0kjk20jjkj3210k0j030201矩陣元，為：之間所有未微擾電子的和是在波函數(shù)式中，二級微擾理論求解：被電場擾動的能級可用，為：則上面的量子化能級變作用。則該體系受到電場微擾如果體系處在電場中，體系的能級為：k010kk1e2e011011k010kk12011UUM2E21UUUUUUMEUU:故：修正：被電場所形成的位能的即是由經(jīng)典理論，如只考慮基態(tài)矩陣元的計算是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，每個元都包含諸波函數(shù)的乘積，而這些波函數(shù)僅在很有限的幾種情況下才能求得解。電子極化率求解的簡化模型1. 原子電子云模型 一個原子可以看作是一個電荷

29、為+Q的正電核和周圍均勻分布、半徑為R、介電常數(shù)為0的球狀電子云組成。-QQdRE30e3030220213332021R4ER4dQR4dQd4qQEQFFR34d34QqQRdqd4qQFEQFd0E因此：即：平衡建立后：而：的庫侖力為：核移動后，受到電子云使核移動的電場力為：點(diǎn)，核沿電場方向移動，以電子云中心為參考當(dāng)2.圓周軌道模型 我們用玻爾原子模型來考慮被研究原子。即，一個電電荷-Q沿著環(huán)繞電荷為+Q的原子核作軌道運(yùn)行。oEoAMdFE=QEFEFRRFdQMOQOAQMAQ感應(yīng)偶極矩：RF/EQR/d而：EoAMdFE=QEFEFRRFER4dQQ/ER4dR4QFFR4QQF30

30、30202RR202R。平衡，形成穩(wěn)定的軌道之間的與離心力倫力前，正、負(fù)電荷間的庫的離心力。在施加電場為沿軌道運(yùn)行的電荷式中30eR43.介質(zhì)球模型 如圖，把原子看成是一介電常數(shù)為的介質(zhì)球。Rr20300023002r4cosRE42cosErR2URrUU0U點(diǎn)的電勢：可求得在在界面連續(xù)和邊界條件：由拉普拉斯方程：為點(diǎn)偶極矩，點(diǎn)看，原子極化球可視從R20r4U即：30e00030e0030R42R4E2R4即：電子位移極化結(jié)論電子位移極化結(jié)論同族元素：e由上到下增大，因：外層電子數(shù)增加，原子半徑R增大；同周期元素：不定，因：外層電子數(shù)雖然增加，但軌道半徑可能減小；離子的電子位移極化率的變化規(guī)

31、律與原子大致相同。離子半徑大，極化率大；實測電子位移極化率與理論結(jié)果仍有差別，但研究發(fā)現(xiàn)，e/40R3值大，對極化貢獻(xiàn)大，如：Pb2+、O2-；表電子位移極化率與溫度無關(guān)，因為，R與T無關(guān)；極化率為快極化：10-15 10-16s，在第二章解釋該極化無損耗。在光頻下，只有電子極化，介質(zhì)的光折射率為：2n1n，質(zhì)材料一般為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，對介光在介質(zhì)中的速度光在真空中的速度為光頻下的介電常數(shù)原子或離子實測電子極化率e10-40Fm2原子半徑a 10-10me/40a3B0.0220.261.14Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89Hg2.211.121.41C0.0130.20

32、1.50O3.0691.321.20S6.551.741.12Zr0.890.871.21Cu2.011.001.81水分子的偶極矩O2-H+H+104H+R解答O2-H+H+2H+REE2E121e極化偶極矩。電子位移導(dǎo)致的的合電場位置電荷在由兩個形成的偶極矩；與形成的偶極矩；與由三部分組成：偶極矩如圖所示，水分子的總22e2221OEOHO21HO21Hcos1Re2cose2cosRe2cos4e2R4EEcos4e2E3321332030eiee20水分子的偶極矩等于：6.110-30庫米，為強(qiáng)極性分子。同樣分子結(jié)構(gòu)的CO2則為非極性分子（因它的鍵角為180）。離子位移極化和極化率離子

33、位移極化和極化率離子晶體的介電常數(shù)值比n2值大的多，如n2KCl2.134.68TiO27.3110-114CaF21.998.43因此，必然存在電子極化外的其他極化機(jī)制。離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionic polarization)。極化率用i表示。r-q+qErKEqKri時：，則平衡力。設(shè)彈性系數(shù)為準(zhǔn)彈性離子間的恢復(fù)力看成為不很大時，可將正、負(fù)當(dāng)位移體，對如圖所示的雙離子晶KqrqE2iii于是：的偶極矩為：正、負(fù)離子位移所形成K=?K值的求解值的求解.根據(jù)正、負(fù)離子對的固有諧振頻率用實驗方法求解值。212120221

34、2121000021mmmm4Kmmmmmm1m1m1mmK2mm為離子對的折合質(zhì)量：為：和固有諧振頻率諧振角頻率，其固有和別為設(shè)正、負(fù)離子的質(zhì)量分212221220i0210021221220220110MMC4MMqNKqNMMCNMMMMC4KNMmNMmC為阿佛加德羅常數(shù)。，為正、負(fù)離子的原子量分別與的波長；為對應(yīng)于諧振頻率為光速；式中則：，學(xué)的關(guān)系：利用波動力學(xué)及物理化式中可由吸收光譜測得，其它參數(shù)為已知常數(shù)。（）rOar庫侖引力勢能電子云斥力勢能.勢阱法求解值設(shè)（）和（）分別為正、負(fù)離子位移前后的互作用能量。則：2r0r0) r(K21rdrKrdF) r (u) rr (unaq

35、b0r) r (uruarr4br4q) r (u) r() rr (uK1n2arn0020r22由此）有極小值，即：（時，當(dāng)疊加。即：電子云間的排斥勢能的周圍引力勢能和正負(fù)離子核而勢阱的勢能是有庫侖即：式中為晶體離子間電子云排斥能指數(shù)，可由實驗確定，一般晶體的值在之間。1na4Kqa4q) 1n(aq) 1n(aq241) ra (4aq) 1n() ra (4q2) r() ra (uKnr4aqr4q) r (ub302i302323200r2n01n23020r22n01n202代入，得：將1n)rr (41na430i30i一維計算：三維計算：）為馬德隆常數(shù)（ttannsMadel

36、ungCoA) 1n(Aa1230i離子位移極化結(jié)論離子位移極化結(jié)論離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數(shù)量級，均在40（10-10）310-40法米2數(shù)量級；離子位移極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化；離子位移極化只與離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與溫度無關(guān)；離子位移極化建立或消除時間與離子晶格振動周期有相同數(shù)量級，10-1210-13秒。偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率當(dāng)極性分子受外電場作用時，偶極子就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場方向相同時具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來看，偶極矩不再等于零，而出現(xiàn)沿電場方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。極

37、化建立時間：10-610-2秒，為慢極化開焦耳玻爾滋蔓常數(shù)米庫極性分子固有偶極矩/1038. 1k1023300kT320d d的求解的求解極化和極化率總結(jié)極化和極化率總結(jié)根據(jù)電介質(zhì)分子參與極化運(yùn)動的種類，把極化分成三類：電子位移極化e；離子位移極化i；偶極矩轉(zhuǎn)向極化d。電介質(zhì)的總極化為： = e+i +dEEN1ENE) 1(Pi0i0或：熱離子極化熱離子極化kT12q22T熱離子極化（離子松弛極化）為慢極化，建立時間約為10-210-6秒洛侖茲（洛侖茲（Lorentz）有效電場計算模型有效電場計算模型r+-E2E1AEyAxzddS點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。子外的其它偶極矩在為球內(nèi)除被研究粒點(diǎn)產(chǎn)生

38、的電場強(qiáng)度；為球外連續(xù)介質(zhì)在為外加宏觀電場強(qiáng)度；點(diǎn)粒子的有效電場為AEAEEEEEEA2121iE31EE1P3Pdr4sinr2cosPdSr4cosPEdSr4cosPr4dS cosr4dqdEcosP ?E100020222021202202011）（）（由極化的宏觀表達(dá)式：E3) 1(E1洛侖茲電場洛侖茲電場E2=？E3) 1(EEiE3)2(Ei克勞修斯方程克勞修斯方程EEN1ENE) 1(Pi0i0或：E3)2(Ei03N21M213NM3N000式中：式中：M為介質(zhì)千克分子量（千克為介質(zhì)千克分子量（千克/千克分千克分子）；子）； 為密度（千克為密度（千克/米米3）；）；N0為阿

39、佛迦德為阿佛迦德羅常數(shù)羅常數(shù)=6.023 1026（1/千克分子）或千克分子）或= 6.023 1023（1/摩爾）。摩爾）。003N克勞修斯-莫索締（Clausius-Mosotti）方程（簡稱克-莫方程）應(yīng)用于光頻作用下的電介質(zhì)時，光在電介質(zhì)中（相對于真空）的折射率n等于：2mmmn1n于是：一般的電介質(zhì)電介質(zhì)的磁導(dǎo)率，對于光頻下的介電常數(shù)光在介質(zhì)中的速度光在真空中的速度M2n1n3N3N2n1n3N21220e00e220e03N21氣體電介質(zhì)的介電常數(shù)氣體電介質(zhì)的介電常數(shù) 氣體是各向同性的，在壓力不太大的條件下，分子之間間距很大，相互作用很小，在常溫下，分子作布朗運(yùn)動，分子在空間各點(diǎn)出

40、現(xiàn)的幾率相同。因此，氣體電介質(zhì)適用克-莫方程。一、非極性氣體結(jié)構(gòu)特征單原子、相同原子的雙原子氣體及有對稱結(jié)構(gòu)的多原子氣體。主要極化電子位移極化。00025. 1N13N13N21m10687. 2NmmHg760PK274TkkNTPmF1011156. 1104R40e0e0e32524010030e）（時，有：，當(dāng)為玻爾茲曼常數(shù)）（）（非極性氣體介質(zhì)極性液體中極性液體：0.5D0 1.5D極化形式：電子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化，并已偶極子轉(zhuǎn)向極化為主。因極性液體分子的間距相對液體來說小得多，其分子間的相互作用很強(qiáng)烈，E20，不適用克-莫方程。）（）（整理后得：）（莫方程，則：如采用克kT3

41、3N1kT3N1kT33N2120e020e020e0電場作用在偶極矩上的有效化率極性分子的電子位移極極性分子固有偶極矩表示。理想偶極矩偶極矩用位于球心上的的小球，分子的成一半徑為極性液體極性分子可看，）（分子模型假設(shè)：ie0ie03EaE1Na34.1Onsager. 1球內(nèi)）（）（球外）（）（得球內(nèi)、外的電位為：，由拉普拉斯方程可求常數(shù)為連續(xù)的介質(zhì)，介電的真空，小球外可視為則在介質(zhì)中有一半徑為的分子小球被挖出，為的作用下，并假想半徑當(dāng)電介質(zhì)在外電場空腔電場cosPrDrCcosPrBrAaaEG).2(n1nnnn2n1nnnn10DdrrcbcosrEan2ar22ar11ar2ar1r

42、1為有限值，即）在球心，表面分量連續(xù)，即：）球面上電位移的垂直等：）球面上兩邊的電位相：場不受空球的影響，即）離小球無限遠(yuǎn)處的電邊界條件：E123G質(zhì)極化。感應(yīng)電荷，使周圍的介產(chǎn)生新的，這一過程再次在界面方向偏轉(zhuǎn)，由的偶極矩向極性分子出現(xiàn)感應(yīng)電荷，并使得的影響，空腔的界面上由于電場反作用電場0GGR).3(大小。轉(zhuǎn)，只會增加偶極矩的矩產(chǎn)生偏不會使極性分子的偶極方向一致，故它的作用極矩的方向與極性分子的偶，分子產(chǎn)生一反作用電場內(nèi)的極性出的電荷反過來對空腔周圍介質(zhì)球界面上感應(yīng)RRieE0GRiE30R202RRa121241RRa4ar0r時，有限，當(dāng)30ia41212E123RGEOnsager

43、. 2有效電場方程整理后可得電子位移極化率方程Onsagera43NE2n1nN3Onsager. 33ie0220e)2)(n2()2n(kT3N2n1n212220022e022200222022023N2n1n21n022nkT9Nn123kT3N11nOnsager. 4時，當(dāng)）（時，當(dāng)時，當(dāng)理論的討論對介電常數(shù)在10以上的離子晶體，具有電子位移極化和離子位移極化。由于晶體的結(jié)構(gòu)Ei很大如：TiO2，金紅石，=7.3，=173 SnO，金紅石結(jié)構(gòu)， =4.7，=24 PbO2，金紅石結(jié)構(gòu)， =6.75，=26xyzETi4+O2-一、內(nèi)電場的計算（斯卡娜維法）有洛侖茲假設(shè)：Ei=E+P

44、/30+E 5j2j2j0jj1jjjjrrz34EzyxjE為：在原點(diǎn)產(chǎn)生的電場強(qiáng)度）的離子感應(yīng)偶極矩，（任意一點(diǎn)構(gòu)為例。對如圖所示的金紅石結(jié)？求5220z30202102010rrz34zEr4zqdr /zsincosr4cosdqr1r14qr4qr4q)z, y, x( ,r1r2rxyzO121122222212211111N1j252j2j2j2j2j2j2j012N1j252j2j2j2j2j2j2j011N1jN1j252j2j2j2j2j2j2j022252j2j2j2j2j2j2j01112211252j2j2j2j2j2j2jN1j0j1ECECEECECE)zyx()

45、zyx(z341C)zyx()zyx(z341C)zyx()zyx(z34E)zyx()zyx(z34EEEE)zyx()zyx(z34E2112 同樣：則：令：則：率為，離子的電子位移極化第二種離子上的電場為率為，離子的電子位移極化第一種離子上的電場為設(shè)：二、介電常數(shù)高的原因4 .1123213 . 79 . 61045. 310262. 0103 .16107 .33108 .101072. 012321122321. 121024022401103211031210322103112221112102211211221222111112121221221210）（莫方程：克實測值：計算值

46、：）（）；（；忽略二次項）（）（）（只考慮電子位移極化NmFmFaCaCaCaCCCNCCCCCCCCCCN21i222111i2102300iCCC123N21mF104. 2）（子位移極化考慮電子位移極化和離計算值：170；實測值：173。，的極化場和的位移場正反饋，；這樣就形成了一的位移（為正數(shù)）的影響由于；又的極化場（為正數(shù)）的影響，由于；，其位移增大，場為高價、半徑小，外電由于上的有效電場上的有效電場如2i21 i441222i2211422i41 iEOETiTiCEOCETiOETiE: 在沒有外電場的作用時，晶體內(nèi)部某些區(qū)域的正、負(fù)電荷中心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)

47、極化。鐵電體：具有自發(fā)極化的電介質(zhì)稱為。鐵電體的特征：具有高的介電常數(shù)，幾百幾萬；介電常數(shù)與電場強(qiáng)度大小有關(guān)；PE的關(guān)系為電滯回線（Hysteresis curve)oEP矯頑電場Ec自發(fā)極化Ps具有宏觀偶極矩的區(qū)域稱為“電疇”。在初始狀態(tài)，就鐵電體整體而言，對外界將不呈現(xiàn)電荷和極化狀態(tài)（相當(dāng)與回線的O點(diǎn)）。l電子技術(shù)l紅外探測技術(shù)l超聲（和微波聲學(xué)）技術(shù)l固態(tài)記憶按微觀結(jié)構(gòu)，鐵電體可分為偶極矩有序型和離子位移型兩類。：晶體內(nèi)含有能夠旋轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的固有偶極矩，在居里溫度以下，由于強(qiáng)烈的內(nèi)電場作用，這些偶極子形成長程有序，因而出現(xiàn)自發(fā)極化“電疇”。如KH2PO4。：晶體內(nèi)部的離子，在居里溫度以下的

48、溫度內(nèi)，由于強(qiáng)烈的離子位移引起晶體的對稱性降低，而形成自發(fā)極化的電介質(zhì)，如BaTiO3。在低溫時，鐵電體中的偶極矩借助于相互作用而有序在低溫時，鐵電體中的偶極矩借助于相互作用而有序排列排列當(dāng)溫度升高，有序排列被熱運(yùn)動擾動，自發(fā)極化隨溫當(dāng)溫度升高，有序排列被熱運(yùn)動擾動，自發(fā)極化隨溫度的升高而減小，當(dāng)溫度達(dá)到某個臨界溫度時，有序度的升高而減小，當(dāng)溫度達(dá)到某個臨界溫度時，有序排列完全被破壞，自發(fā)極化消失，低溫的鐵電相轉(zhuǎn)變排列完全被破壞，自發(fā)極化消失，低溫的鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐姆氰F電相為高溫的非鐵電相順電相，這個溫度叫順電相，這個溫度叫居里溫度。居里溫度。絕對溫度熵內(nèi)能TSUEPTSUG 最小穩(wěn)定系統(tǒng)

49、G)0(EP)EPmax(列方式）。情況下，微觀狀態(tài)的排宏觀狀態(tài)，能量不變的熱力學(xué)幾率（在給定的波爾茲曼常數(shù)；klnkS中的占優(yōu)勢的項和取決于但：EPTSGGSGEP。由能發(fā)極化消失，反而使自的束縛下解放出來，自，偶極矩從電場項占優(yōu)勢。由于熱運(yùn)動，當(dāng)項很小，可不考慮，很小，當(dāng)TSTTGEPTSTCii0ii0ii00in311n321n31213PEE）（）（）（則：）（令：時，當(dāng)：CCCCii00iiTTCTTC3TTC63TTC3n3113nTCTExamples: Barium Strontium Titanate (BST)AOBBaO立方晶系四角晶系正交晶系三角晶系PsPsPsBaTiO3晶體的晶格參數(shù)與