材料的介電性能課件

1、第五章 材料的介電性能在外電場(chǎng)作用下，材料發(fā)生兩種響應(yīng)：電傳導(dǎo)電感應(yīng)絕緣起滿足電容作用的器件電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。電介質(zhì)的特征是以正負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用和影響。電介質(zhì)物理研究對(duì)象：研究電介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷在電場(chǎng)（包括電頻電場(chǎng)和光頻電場(chǎng)）作用下的電極化過程；闡明其電極化規(guī)律與介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；揭示其宏觀介電性質(zhì)的微觀機(jī)制，進(jìn)而發(fā)展電介質(zhì)的效用。 經(jīng)典電介質(zhì)科學(xué)叢書首批著作出版志賀 介質(zhì)以極化為本質(zhì)特征，衍生多種功能效應(yīng)于一體，兼秉豐富深刻之物理內(nèi)涵，前程無限。嘆我介電學(xué)科，相對(duì)滯后，極化之類基本問題，仍未徹底解開。更有

2、心態(tài)浮燥，不重基礎(chǔ)，回避難題，急功近利。諸多不足之處，吾人當(dāng)自省。 姚熹院士 姚熹乃學(xué)界之領(lǐng)軍人物，主編經(jīng)典電介質(zhì)科學(xué)叢書，實(shí)為膽識(shí)超群之善行義舉，功德無量。切望學(xué)者諸君，乘機(jī)奮起。須知經(jīng)典傳世之作，乃學(xué)科之根本。從此精讀經(jīng)典，錘煉功底，不求捷徑，迎難而行。學(xué)科大發(fā)展，勢(shì)在必然中。 鐘維烈 2008年4月電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010cm的一類在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技

3、術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。無機(jī)材料與有機(jī)塑料比較： 有機(jī)塑料: 便宜、易制成更精確的尺寸； 無機(jī)材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時(shí)在應(yīng)力作用下，無蠕變或形變;有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會(huì)氧化、氣化或分解）;能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點(diǎn)：內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)一般不為零。1. 有極分子和無極分子電介質(zhì) 有極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心不重合。負(fù)電荷中心正電荷中心 無極分子：分子的正電荷中

4、心與負(fù)電荷中心重合如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等。+H+HO 介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)2. 電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化 加上外電場(chǎng)后，在電場(chǎng)作用下介質(zhì)分子正負(fù)電荷中心不再重合，出現(xiàn)分子電矩。 無外電場(chǎng)時(shí)，有極分子電矩取向不同，整個(gè)介質(zhì)不帶電。（2）有極分子的取向極化 在外電場(chǎng)中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場(chǎng)方向趨于一致。真空+E+自由電荷+偶極子束縛電荷1. 具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)的極化電極化強(qiáng)度矢量（1） 電極化強(qiáng)度矢量單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和。（2） 空間任一點(diǎn)總電場(chǎng)總電場(chǎng)外電場(chǎng)束縛電荷電場(chǎng)（3）電極化強(qiáng)度與

5、總電場(chǎng)的關(guān)系極化率（4）極化率與相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母表示，單位為法/米(F/m)定義為電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E之比，=D/。電位移D的單位是庫/二次方米(Cm2)。某種電介質(zhì)的介電常數(shù)與真空介電常數(shù)0之比稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r ，r0是無量綱的純數(shù)，說明：1.真空中 P = 0 ，真空中無電介質(zhì)。2.導(dǎo)體內(nèi) P = 0 ，導(dǎo)體內(nèi)不存在電偶極子。注意: 介質(zhì)極化也有均勻極化與非均勻極化之分。3. 電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈電介質(zhì)的極化電介質(zhì)極化的微觀機(jī)理（類型）彈性位移極化（瞬

6、時(shí)極化）取向極化（弛豫極化）電子位移極化（Electronic Polarizability） Response is fast, is small離子位移極化（Ionic Polarizability） Response is slower偶極子取向極化（Dipolar Polarizability） Response is still slower空間電荷極化(Space Charge Polarizability) Response is quite slow, is large松弛極化電子松弛極化離子松弛極化電介質(zhì)極化的微觀機(jī)理（類型）電子云位移極化的特點(diǎn)：a) 極化所需時(shí)間極短，在一

7、般頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為與頻率無關(guān)； b)具有彈性，沒有能量損耗。 c)溫度對(duì)電子式極化影響不大。 電子位移極化： 電場(chǎng)作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷中心分離的物理過程) 電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。 另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負(fù)電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態(tài)。在這個(gè)新平衡狀態(tài)中該原子具有一個(gè)有限大小的感應(yīng)偶極矩，用Pe表示感應(yīng)偶極矩的大小，Pe與電場(chǎng)之間的關(guān)系為： 其中e稱為電子位移極化率。利用玻爾原子模型，可具體估算出 的大小，即結(jié)論：電子極化率的大小與原子（離子）的半徑有關(guān)離子位

8、移極化：對(duì)于離子組成的分子，在電場(chǎng)作用下，正負(fù)離子都要產(chǎn)生有限范圍的位移，因而使介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。這種感應(yīng)偶極矩是正負(fù)離子之間出現(xiàn)相對(duì)位移的結(jié)果。主要存在于離子化合物材料中，如云母、陶瓷等。 在電場(chǎng)E的作用下，正負(fù)離子產(chǎn)生相對(duì)位移示意圖 positivenegativeEP如果用i代表離子位移極化率；Pi代表離子位移的感應(yīng)偶極矩；E代表電場(chǎng)強(qiáng)度。它們之間的關(guān)系為：離子位移極化的特點(diǎn)： a) 時(shí)間很短，在頻率不太高時(shí)，可以認(rèn)為與頻率無關(guān)；b) 屬?gòu)椥詷O化，能量損耗很小。c) 離子位移極化受兩個(gè)相反因素的影響：溫度升高時(shí)離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度

9、降低。通常，前一種因素影響較大.固有偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極分子），例如，水分子H2O，其中氧離子與二個(gè)氫離子不是在一條直線上，而是分布在三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上。因此水分子的正負(fù)電荷中心不重合，存在固有偶極矩，如圖所示。 P當(dāng)電場(chǎng) E=0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，所以各偶極矩的矢量和為零，介質(zhì)不存在極化。當(dāng)電場(chǎng) E0時(shí)，在電場(chǎng)作用下，這些固有偶極矩將沿著電場(chǎng)方向排列，各偶極矩的矢量和不為零，介質(zhì)產(chǎn)生極化。在離子位移極化和電子位移極化的情況，位移極化的產(chǎn)生是由于電場(chǎng)力與彈性力的共同作用下出現(xiàn)與電場(chǎng)方向平行的感應(yīng)偶極矩。 電場(chǎng)力的作用是使正負(fù)電荷中心

10、分離，準(zhǔn)彈性力的作用是使正負(fù)電荷中心重合，即準(zhǔn)彈性力起著阻礙極化的作用。電場(chǎng)力與準(zhǔn)彈性力是矛盾的兩個(gè)方面。在取向極化的情況中，電場(chǎng)的作用是使分子的固有偶極矩轉(zhuǎn)到沿電場(chǎng)的方向排列；而妨礙定向排列的阻力是介質(zhì)中分子的熱運(yùn)動(dòng)。 或者說，電場(chǎng)的作用使固有偶極矩有序化，熱運(yùn)動(dòng)的作用使固有偶極矩?zé)o序化，電場(chǎng)與熱運(yùn)動(dòng)是矛盾的兩個(gè)方面。為了強(qiáng)調(diào)位移極化與取向極化的差別，有時(shí)也稱前者為與熱運(yùn)動(dòng)無關(guān)的極化，后者為與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的極化。取向極化與位移極化的機(jī)制不同，因此處理方法也不同。要用熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的規(guī)律來解決取向極化的問題。當(dāng)電場(chǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序化；電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)=0（絕對(duì)零度

11、）時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當(dāng)電場(chǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈低，有序化程度就愈低。 有極分子的分布示意圖因?yàn)楫?dāng)溫度不等于絕對(duì)零度 （即T0K）時(shí)，介質(zhì)中各分子的熱運(yùn)動(dòng)也不等于零，所以在一般電場(chǎng)作用下，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩是不能出現(xiàn)如圖所示的完全有序化，這也表示當(dāng)E=0，T0K時(shí)，各分子的固有偶極矩在電場(chǎng)方向上的分量各不相同,而固有偶極矩在電場(chǎng)方向上的分量才對(duì)介質(zhì)的極化有貢獻(xiàn). 計(jì)算結(jié)果,可得取向極化率 orien為式中為P0分子固有偶極矩，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。 可

12、以看出，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)，而位移極化率與溫度無關(guān)。 偶極子取向極化的特點(diǎn)：a) 極化是非彈性的，消耗的電場(chǎng)能在復(fù)原時(shí)不可能收回。b) 形成極化所需時(shí)間較長(zhǎng)，故與頻率有較大關(guān)系，頻率很高時(shí)，偶極子來不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其減小。c) 溫度對(duì)極性介質(zhì)的有很大的影響。 如果介質(zhì)極化時(shí)存在上述三種極化機(jī)制，其中以取向極化的貢獻(xiàn)最大。分子中存在固有偶極矩的概念的建立，不僅可以解釋一些由有極分子組成的電介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)這一事實(shí)，而且對(duì)于電介質(zhì)的了解和有關(guān)的分子結(jié)構(gòu)知識(shí)都是有貢獻(xiàn)的。松弛極化松弛質(zhì)點(diǎn)：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點(diǎn) 由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布

13、混亂， 電場(chǎng)力使之按電場(chǎng)規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點(diǎn)：比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘，極化建立時(shí)間長(zhǎng)，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū) 缺陷區(qū)U松U松U導(dǎo)電根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)弱離子運(yùn)動(dòng)位壘計(jì)算，可以得到離子熱弛豫極化率的大小為： 式中：q為離子荷電量，為弱聯(lián)系離子在電場(chǎng)作用下的遷移。由式可見，溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，極化率減小。離子松弛極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。（2）電子松弛極化電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下，吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍

14、遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)，移到另一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)；外加電場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。松馳極化的特點(diǎn)：松馳極化的帶電質(zhì)點(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)時(shí)移動(dòng)的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點(diǎn)需要克服一定的勢(shì)壘才能移動(dòng)，因此這種極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)（可達(dá)10-210-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)?？臻g電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化

15、，一般為高壓式極化。-+-+-+外電場(chǎng)P空間電荷極化的特點(diǎn)： 時(shí)間較長(zhǎng)； 屬非彈性極化，有能量損耗； 隨溫度的升高而下降； 主要存在于直流和低頻下，高頻時(shí)因空間電荷來不及移動(dòng)，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。 自發(fā)極化如果晶胞不僅結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，而且在無外力作用時(shí)晶胞本身的正、負(fù)電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性。晶胞的固有電矩便會(huì)沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化狀態(tài)是在外場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。 各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流光頻無關(guān)無離子位

16、移極化離子結(jié)構(gòu)直流紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價(jià)金屬氧化物直流超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流高頻隨溫度升高而減小有宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率外加電場(chǎng)E外E1 外加電場(chǎng)E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。 即極板上的所有電荷所產(chǎn)生） 構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和E1 （退極化電場(chǎng)，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生） E宏=E外+E11 . 宏觀電場(chǎng)：+2 . 原子位置上的局部電場(chǎng)Eloc （有效電場(chǎng)） Eloc=E外+E1+E2+E3+ + + + + + + +

17、 + + +E外E1E2E3對(duì)于氣體質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用可以忽略，局部電場(chǎng)與外電場(chǎng)相同。對(duì)于固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場(chǎng)周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的電場(chǎng)貢獻(xiàn)。根據(jù) D= o E+P （D為電位移或電感應(yīng)）得 P =D o E=（ 1 o ） E = o （ r 1） E由 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o得 Eloc=（ r +2）E/3設(shè)介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于N，則又有 P= N=NEloc 得 （ r 1 ）/（ r +2 ）= Ni /（3 o ） 上式為克勞修斯-莫索蒂方程3. 克勞修斯-

18、莫索蒂方程 克勞修斯-莫索蒂方程的意義： 建立了可測(cè)物理量 r （宏觀量）與質(zhì)點(diǎn)極化率（微觀量）之間的關(guān)系?？藙谛匏?莫索蒂方程的適用范圍： 適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當(dāng)對(duì)稱性的固體。從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點(diǎn)： （ r 1 ）/（ r +2 ）= Ni /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù)。影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強(qiáng)的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系介

19、電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩大類： 非線性的陶瓷介質(zhì)：鐵電陶瓷、松弛極化十分明顯的材料。 線性的陶瓷介質(zhì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)：隨溫度變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率，即： TK=d / dT實(shí)際工作中的方法： TK=(t o)/ o(tto)損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voe it，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。由 Q=CoV V=Q/Co=Idt/Co I=CodV/dt電容上的電流： Io=iCoV兩極板間充入非極性完全絕緣的材料， 電容上的電流：I=iCV= irCoV= rIo 如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電，則其中有一個(gè)與外加電壓相位相

20、同的小電流（I= iCV+GV）通過ViCV設(shè)電導(dǎo)G僅由自由電荷產(chǎn)生，則: G=S/d , 由于電容: C=l S/d則電流密度: j=(il + )E= *E= il* E復(fù)電導(dǎo)率* 的定義： *= il + 復(fù)介電常數(shù)的定義： l*= * / i= l - i / 損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/ l 得： = l tg （ l tg 僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率* 的定義： *= il + 復(fù)介電常數(shù)的定義： l*= * / i= l - i / 損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/ l 得： = l tg （ l tg 僅與介質(zhì)有關(guān)）損

21、耗因子：l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率* 的定義： *= il + 復(fù)介電常數(shù)的定義： l*= * / i= l - i / 損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/ l 得： = l tg （ l tg 僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率* 的定義： *= il + 復(fù)介電常數(shù)的定義： l*= * / i= l - i / 損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/ l 得： = l tg （ l tg 僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：l tg （其大小作為絕緣材料的判據(jù)）介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：根據(jù)用途，對(duì)其有不同的要求： 要求為正：濾波旁路和隔直流

22、的電容器； 要求為負(fù)：熱補(bǔ)償電容器 接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和高精度的電子儀器中的電容器。目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)。材料的介電性電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當(dāng)電介質(zhì)開始受靜電場(chǎng)作用時(shí)，要經(jīng)過一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，這個(gè)現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時(shí)間很短，取向極化的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。極化強(qiáng)度的建立 位移極化強(qiáng)度 P0 是瞬時(shí)建立的，與時(shí)間無關(guān)。松弛極化Pr強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系比較復(fù)雜。材料的介電性電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的往往會(huì)發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问?/p>

23、的能（如熱能）的情況，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。 介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場(chǎng)后通過介質(zhì)的全部電流包括： 由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量； 由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。介電損耗電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點(diǎn)。帶電質(zhì)點(diǎn)在外電場(chǎng)的作用下沿著與電場(chǎng)平行的方向做貫穿電極之間的運(yùn)動(dòng)。實(shí)質(zhì)相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功，一切實(shí)用工

24、程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場(chǎng)作用下，都會(huì)發(fā)生漏導(dǎo)損耗。由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論： 當(dāng)外電場(chǎng)頻率很低，即0時(shí)，各種極化都能跟上電場(chǎng)的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達(dá)到最大，而不造成損耗； 當(dāng)外電場(chǎng)頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場(chǎng)變化，此時(shí)松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)減小，使隨頻率升高而顯著下降，同時(shí)產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當(dāng)時(shí)，損耗達(dá)到最大； 當(dāng)外電場(chǎng)頻率達(dá)到很高時(shí)，松弛極化來不及建立，對(duì)介電常數(shù)無貢獻(xiàn)，介電常數(shù)僅由位移極化決定， 0時(shí)， tan，此時(shí)無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù) =t

25、an）介電損耗極化損耗對(duì)于離子晶體，晶格振動(dòng)的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若外電場(chǎng)的頻率等于晶格振動(dòng)光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。 介電損耗共振吸收損耗介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜，不做要求材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相固體無機(jī)材料，這些材料損耗的主要形式是電導(dǎo)損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。1）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們?cè)谕怆妶?chǎng)強(qiáng)度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。 當(dāng)固態(tài)絕緣物中含有氣孔時(shí)，由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也

26、比固態(tài)小，必須盡量減小介質(zhì)中的氣孔。 材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)理想的電介質(zhì)，在外電場(chǎng)作用下應(yīng)該是沒有傳導(dǎo)電流的。實(shí)際的電介質(zhì)，或多或少地具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點(diǎn)。無外電場(chǎng)，熱運(yùn)動(dòng)。有外電場(chǎng)，定向漂移。正電荷順電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流。上式表示了電介質(zhì)的宏觀參數(shù)電導(dǎo)率與微觀參數(shù)電介質(zhì)單

27、位體積內(nèi)載流子數(shù)N、載流子電荷q、載流子的遷移率之間的關(guān)系。 提高電介質(zhì)的絕緣性能可以從兩個(gè)方面著手：一是減少電介質(zhì)單位體積的載流子數(shù)；二是降低遷移率。對(duì)固體電介質(zhì)，要盡量減少雜質(zhì)、熱缺陷數(shù)目。表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）固體電介質(zhì)電導(dǎo) 電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)的載流子：電子和空穴理想晶體電子電導(dǎo)非常微弱實(shí)際晶體，雜質(zhì)的存在電子電導(dǎo)較大隧道效應(yīng)大部分固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因?yàn)閷?dǎo)電的電子（或空穴）也是從各種不同的電離中心經(jīng)過熱激發(fā)而產(chǎn)生的，并且，對(duì)于過渡元素金屬氧化物，通常它的活化能都比較小，載流子數(shù)又多，所以，在低溫和室溫下，電子電導(dǎo)常起主要作用。

28、固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)載流子：正、負(fù)離子或離子空位固體電介質(zhì)按其結(jié)構(gòu)可分為：晶體非晶體無機(jī)電介質(zhì)和高分子非晶材料的高聚物固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機(jī)晶體材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)導(dǎo)電離子來源本征離子弱聯(lián)系離子熱缺陷在離子晶體中，考慮到它的本征電導(dǎo)和弱聯(lián)系電導(dǎo)時(shí)，隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成離子活化固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)2）無機(jī)玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃與晶體的比較，玻璃具有： 結(jié)構(gòu)疏松 組成中有堿金屬離子 勢(shì)壘不是單一的數(shù)值，有高有低。 導(dǎo)電的粒子： 離子 電子玻璃離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時(shí)，堿金屬離子填充在玻璃結(jié)構(gòu)的松散處，電導(dǎo)率與堿金屬離子濃度有直線關(guān)系；到一定限度，即空隙

29、被填滿后，開始破壞原來結(jié)構(gòu)緊密的部位，使整個(gè)玻璃體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步松散，導(dǎo)電率指數(shù)上升。減小玻璃電導(dǎo)率的方法有雙堿效應(yīng)、壓堿效應(yīng)。雙堿效應(yīng)：當(dāng)玻璃中堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃組成2530%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率小，當(dāng)比例適當(dāng)時(shí)，電導(dǎo)率可降低很低。以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：R K+R Li+，在外電場(chǎng)的作用下，堿金屬離子移動(dòng)時(shí)，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小， K+只能通過本身的空位；Li+進(jìn)入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進(jìn)入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運(yùn)動(dòng)；相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。

30、半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價(jià)過渡金屬離子的某些氧化物玻璃具有電子導(dǎo)電性。例如：金屬氧化物玻璃、硫族與金屬的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶態(tài)。壓堿效應(yīng)：含堿金屬玻璃中加入二價(jià)金屬離子，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。原因：二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，電導(dǎo)率降低。 高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子以共價(jià)鍵方式與相鄰原子鍵接，不存在自由電子或其它形式載流子（具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物例外）。 理論計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)完整的純聚合物，電導(dǎo)率僅為1025 。但實(shí)際聚合物

31、的電導(dǎo)率往往比它大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，表明聚合物絕緣體中載流子主要來自材料外部，即由雜質(zhì)引起的。 2）無機(jī)玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo) 這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量沒有反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑和其他各種助劑以及聚合物吸附的微量水分等。 例如，在電場(chǎng)作用下電離的水， 就為聚合物提供了離子型載流子。 水對(duì)聚合物的絕緣性影響最甚，尤其當(dāng)聚合物材料是多孔狀或有極性時(shí)，吸水量較多，影響更大。 例如以橡膠填充的聚苯乙烯材料在水中浸漬前后電導(dǎo)率相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同樣情況下電導(dǎo)率猛增八個(gè)數(shù)量級(jí)。 載流子遷移率大小決定于載流子從外加電場(chǎng)獲得的能量和熱運(yùn)動(dòng)碰撞時(shí)損失的能量。 研究表明，離子型載流子的遷移與聚合物內(nèi)部自由體積的大小有關(guān)，自由體積越大，遷移率越高。 電子和空穴型載流子的遷移則與大分子堆砌程度相關(guān)，堆砌程度高，有利于電子躍遷，若堆砌能產(chǎn)生電子云