材料的電學(xué)性能

關(guān)于材料的電學(xué)性能第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.1電阻率和電導(dǎo)率

歐姆定律：

V=RI電阻R和導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與長度L及截面積有關(guān)即：

電阻率ρ只與材料性質(zhì)有關(guān)，與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，單位Ω.m電導(dǎo)率：σ=1/ρ根據(jù)電導(dǎo)率可把材料分為：導(dǎo)體：ρ<10-2Ω.m半導(dǎo)體：ρ在10-2～1010Ω.m絕緣體：ρ>1010Ω.m第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論1：經(jīng)典自由電子理論假設(shè)：在金屬晶體中，正離子構(gòu)成晶體點(diǎn)陣，價(jià)電子是完全自由的，稱為自由電子，彌散分布在整個(gè)點(diǎn)陣中自由電子之間及它們和正離子之間的相互作用類似機(jī)械碰撞在沒有外加電場時(shí)，自由電子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率相同，不產(chǎn)生電流有外加電場時(shí)，自由電子沿電場方向定向運(yùn)動(dòng)，形成電流自由電子定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，要和正離子碰撞，電子運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生電阻第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論電導(dǎo)率：

l：平均自由程：電子運(yùn)動(dòng)的平均速度

n：單位體積的自由電子數(shù)

m：自由電子質(zhì)量

e：自由電子電荷：電子兩次碰撞之間的平均時(shí)間第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論2：量子自由電子理論假設(shè)：正離子形成的電場是均勻的；價(jià)電子與離子間沒有相互作用,可在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)原子的內(nèi)層電子保持著單個(gè)原子的能量狀態(tài)；所有價(jià)電子按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)；即具有不同的能級電子具有波粒二象性，運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動(dòng)速度或動(dòng)量之間的關(guān)系為：或第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論在一價(jià)金屬中，自由電子的動(dòng)能

代入其中：

波數(shù)頻率－表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)＝常數(shù)

第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論E－K關(guān)系曲線為拋物線，“+”和“－”表示電子運(yùn)動(dòng)的方向從粒子的觀點(diǎn)，E－K曲線表示自由電子的能量與速度（或動(dòng)量）的關(guān)系從波動(dòng)的觀點(diǎn)，E－K曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系，波數(shù)越大，能量越高0K時(shí)電子所具有的最高能態(tài)稱為費(fèi)米能（EF），同種金屬費(fèi)米能是一定值，不同金屬費(fèi)米能不同

自由電子的E-K曲線第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論在外加電場的作用下

外加電場使向著其正向運(yùn)動(dòng)的電子能量降低，反向運(yùn)動(dòng)的電子能量升高部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向電場正向運(yùn)動(dòng)的能級，從而使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電

電場對E-K曲線的影響第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論從上分析可知：不是所有的自由電子都參與導(dǎo)電，而是只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電電磁波在傳播過程中被離子點(diǎn)陣散射，相互干涉形成電阻對于絕對純的理想晶體，0K時(shí)，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零（超導(dǎo)現(xiàn)象）實(shí)際金屬：缺陷、雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變，對電磁波造成散射，這是金屬產(chǎn)生電阻的原因第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論由此導(dǎo)出電導(dǎo)率為nef：單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù)，有效自由電子數(shù)t：兩次散射之間的平均時(shí)間p：單位時(shí)間內(nèi)散射的次數(shù)，散射幾率第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論3：能帶理論能級的分布可以看成是準(zhǔn)連續(xù)的（稱為能帶）；金屬中的價(jià)電子是公有化，能量是量子化金屬中離子造成的勢場是不均勻的，而是呈周期變化的

電子在周期勢場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著位置的變化，它的能量也呈周期性的變化（接近正離子時(shí)勢能降低，離開時(shí)勢能增高）價(jià)電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)不能看成完全自由的，而是受到周期場的作用由于周期場的影響，使得價(jià)電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)電子是不能取值的，存在能隙第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論禁帶：能隙所對應(yīng)的能帶稱為禁帶。禁帶的寬窄取決于周期勢場的變化幅度，變化越大，禁帶越寬允帶：電子可以具有的能級所組成的能帶稱為允帶。在允帶中每個(gè)能級只允許有兩個(gè)自旋反向的電子存在空能級：允帶中未被填滿電子的能級，具有空能級允帶中的電子是自由的，在外加電場的作用下參與導(dǎo)電，所以這樣的允帶稱為導(dǎo)帶滿帶：一個(gè)允帶所有的能級都被電子填滿的能帶

周期場中電子運(yùn)動(dòng)的

E-K曲線及能帶第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.2金屬導(dǎo)電理論

能帶填充情況示意圖第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.3無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理

離子晶體中的電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo)。晶體的離子電導(dǎo)主要有兩類：第一類，固有離子電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），源于晶體點(diǎn)陣的基本離子的運(yùn)動(dòng)。離子自身隨著熱振動(dòng)離開晶格形成熱缺陷。（高溫下顯著）第二類，雜質(zhì)電導(dǎo)，由結(jié)合力較弱的離子運(yùn)動(dòng)造成的。（較低溫度下雜質(zhì)電導(dǎo)顯著）

載流子濃度對于固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），載流子由晶體本身熱缺陷—弗侖克爾缺陷和肖脫基缺陷提供第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.3無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理本征電導(dǎo)率

式中：AS

：材料的特性常數(shù)；取決于可遷移的離子數(shù)

ES

：離子激活能雜質(zhì)引起的導(dǎo)電率

當(dāng)材料中存在多種電導(dǎo)載流子時(shí)，材料的總導(dǎo)電率是各種電導(dǎo)率的總和第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.3無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理熱缺陷的濃度決定于溫度T和離解能Es。常溫下比起KT來Es很小，因而只有在高溫下，熱缺陷濃度才顯著大起來，即固有電導(dǎo)在高溫下顯著雜質(zhì)離子載流子的濃度決定于雜質(zhì)的數(shù)量和種類。因?yàn)殡s質(zhì)離子的存在，不僅增加了電流載體數(shù)，而且使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。和固有電導(dǎo)不同，低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響金屬導(dǎo)電性的因素一：溫度溫度升高時(shí)：1）離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大2）導(dǎo)致電子運(yùn)動(dòng)的自由程減小，散射幾率增加，使電阻率增大

T=2KT﹤﹤ΘDT>2/3ΘD

在高于室溫以上溫度時(shí)

金屬電阻率與溫度的關(guān)系第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素二：應(yīng)力彈性拉應(yīng)力，使原子間距增大，點(diǎn)陣畸變增大，電阻增大關(guān)系如下ρ0－未加載荷時(shí)的電阻率，α－應(yīng)力系數(shù)，σ－拉應(yīng)力壓應(yīng)力使原子間距減小，點(diǎn)陣動(dòng)畸變減小，電阻率降低關(guān)系如下ρ0－真空下的電阻率，φ－壓力系數(shù)（負(fù)數(shù)），p－壓力第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素三：冷加工變形使晶體點(diǎn)陣畸變、晶格缺陷增加（特別是空位濃度），造成點(diǎn)陣電場的不均勻而加劇對電子的散射原子間距改變，導(dǎo)致電阻率增加再結(jié)晶時(shí)，使電阻降低馬基申定則：式中：ρ(T)：與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率

Δρ：冷加工變形產(chǎn)生的附加電阻率，與溫度無關(guān)第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素四：合金元素及相結(jié)構(gòu)1：固溶體形成固溶體時(shí)，電阻率增加溶質(zhì)原子的溶入引起溶劑點(diǎn)陣的畸變，破壞了晶格勢場的周期性，增加電子的散射組元間化學(xué)相互作用（能帶、電子云分布等）加強(qiáng)，有效電子數(shù)減少第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素根據(jù)馬基申定則：ρ0：固溶體溶劑組元的電阻率ρ/：殘余電阻率

其中

γc：溶質(zhì)原子含量Δρ：1%溶質(zhì)原子引起的附加電阻率上式表明：合金電阻由兩部分組成溶劑的電阻，它隨溫度升高而增大溶質(zhì)引起的附加電阻，與溫度無關(guān)，與溶質(zhì)原子的含量有關(guān)Au-Ag合金電阻率和成分的關(guān)系第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素2：有序固溶體有序化后，合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無序化增強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)電電子數(shù)減少而使合金電阻增加晶體的離子電場在有序化后更對稱，減少電子散射電阻降低（主導(dǎo)）因此合金有序化后，總體電阻降低但對某些合金（含有過渡族金屬元素），存在局部的原子偏聚，其成分與固溶體的平均成分不同。原子偏聚區(qū)的幾何尺寸與電子自由程同數(shù)量級，增加電子散射幾率，提高合金電阻率第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.材料的導(dǎo)電性

1.4影響材料導(dǎo)電性的因素4：化合物、中間相、多相合金當(dāng)兩種金屬形成化合物時(shí)，電阻率要比純組元高很多化合物原子間的金屬鍵部分地轉(zhuǎn)化為共價(jià)鍵或離子鍵，導(dǎo)電電子數(shù)減少中間相的導(dǎo)電性在固溶體和化合物之間與組成相的導(dǎo)電性、相對量、合金的組織形態(tài)有關(guān)。通常近似認(rèn)為多相合金的電阻率為各相電阻率的加權(quán)平均第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能

特點(diǎn)元素周期表中的IVA族的C、Si、Ge、Sn、Pb原子間的結(jié)合是共價(jià)鍵本征半導(dǎo)體－指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶

本征激發(fā)過程

第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能在0K時(shí)，半導(dǎo)體的空帶中無電子，即無電子的運(yùn)動(dòng)在溫度升高或受光照射時(shí)，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，其中一部分獲得足夠大能量的價(jià)電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子，躍遷到空帶。這時(shí)空帶中有了一部分導(dǎo)電的電子，稱為導(dǎo)帶，滿帶中由于部分價(jià)電子的遷出出現(xiàn)了空位置，稱為價(jià)帶當(dāng)一個(gè)價(jià)電子離開原子后，在共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，在共有化運(yùn)動(dòng)中，相鄰的價(jià)電子很容易填補(bǔ)到這個(gè)空位，從而又出現(xiàn)新的空位，其效果等價(jià)于空位移動(dòng)在外加電場作用下，自由電子和空穴都能導(dǎo)電，它們統(tǒng)稱為載流子

第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能1）本征載流子的濃度

K1

：常數(shù)，其值為4.82x1015K-3/2；Eg

：禁帶寬度2）本征半導(dǎo)體的遷移率單位場強(qiáng)（V/cm）下自由電子的平均漂移速度因此自由電子的平均漂移速度

第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能3）空穴的平均遷移率

單位場強(qiáng)（V/cm）下空穴的平均漂移速度

4）空穴的平均漂移速度自由電子的自由度大，故遷移率較大，空穴的漂移被約束在共價(jià)鍵范圍內(nèi)，所以空穴的遷移率小5）本征半導(dǎo)體的電阻率因?yàn)殡娏髅芏?/p>

電阻率第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.1本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體小結(jié)本征激發(fā)成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度和空穴濃度相等禁帶寬度越大，載流子濃度越小溫度升高時(shí)，載流子濃度增大載流子濃度與原子濃度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能一、n型半導(dǎo)體加五價(jià)元素：磷、砷、銻，晶體中自由電子濃度增加原因五價(jià)元素的原子有五個(gè)價(jià)電子頂替晶格中的一個(gè)四價(jià)原子時(shí)，有一個(gè)價(jià)電子變成多余這個(gè)價(jià)電子能級ED靠近導(dǎo)帶底，（EC-FD）比Eg小得多多余價(jià)電子具有大于（EC-ED）的能量，進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能

n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)n型半導(dǎo)體能帶圖第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能五價(jià)元素稱為施主雜質(zhì)；ED施主能級；（EC-ED）施主電離能n型半導(dǎo)體中，自由電子濃度大，自由電子稱為多數(shù)載流子（多子）；空穴稱為少子在電場作用下，以電子導(dǎo)電為主（電子型半導(dǎo)體）

電流密度

電阻率第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能二、p型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素：硼、鋁、鎵、銦，空穴濃度增加多余一個(gè)空位置，其它同n型半導(dǎo)體電流密度

電阻率特點(diǎn)（與本征半導(dǎo)體相比）摻雜濃度雖小，但載流子濃度大大提高，導(dǎo)電能力大大提高摻雜只是使一種載流子濃度提高，主要靠多子導(dǎo)電第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.半導(dǎo)體的電學(xué)性能

2.2雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能

p型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)p型半導(dǎo)體能帶圖第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能一、極化的基本概念現(xiàn)象：1、在真空平行板電容器電極間嵌入介質(zhì)2、在電極之間加外電場3、介質(zhì)表面會(huì)感應(yīng)出電荷4、正極板附近：負(fù)電荷負(fù)極板附近：正電荷5、電荷不會(huì)跑到極板上形成電流（束縛電荷）極化：介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，這類介質(zhì)稱為電介質(zhì)電介質(zhì)極化示意圖第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能特點(diǎn)組成介電質(zhì)的粒子（原子、分子和離子）可分為非極性與極性非極性介質(zhì)粒子：在沒有外加電場作用時(shí)，正負(fù)電荷中心重合，對外不顯示極性；在外加電場作用時(shí)粒子的正電荷沿電場方向移動(dòng)，負(fù)電荷沿逆電場方向移動(dòng)，形成電偶極矩極性介質(zhì)粒子：存在電偶極矩，沒有外加電場時(shí)，電偶極矩隨機(jī)排列，整個(gè)電介質(zhì)呈電中性，有外加電場時(shí)，電偶極矩有轉(zhuǎn)向外電場方向的趨勢當(dāng)外電場取消后，介質(zhì)表面的束縛電荷消失第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能粒子極化率：單位電場強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小表示：式中：Eloc－作用在粒子上的局部電場，與宏觀外電場不同

μ－電偶極矩

α－極化率，表征材料的極化能力，與材料性質(zhì)有關(guān)單位為F.m2

（法.米2）第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能極化強(qiáng)度：電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和可表示為式中：n0－單位體積中的偶極子數(shù)；－偶極子的平均電偶極矩單位為庫侖/米2(C/m2)對于線性極化有所以第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能二、極化的基本形式1：位移極化1）電子位移極化在外加電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移而形成的極化該模型可看成一個(gè)彈性束縛電荷在作強(qiáng)迫振動(dòng)，根據(jù)彈性振動(dòng)理論，可證明該粒子電子位移極化的極化率為在交變電場作用下時(shí)靜態(tài)極化率（ω→0)介質(zhì)極化：

1）電子極化

2）離子極化

3）偶極子轉(zhuǎn)向極化ω：振動(dòng)頻率ω0：彈性偶極子的固有頻率第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能2）離子位移極化點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)上的正負(fù)離子在E作用下，發(fā)生相對位移而引起的極化，離子的位移受彈性恢復(fù)力限制在交變電場作用下時(shí)靜態(tài)極化率（ω→0)第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能2、松弛極化特點(diǎn)既要考慮電場的作用，又要考慮粒子的熱運(yùn)動(dòng)材料中存在弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛粒子熱運(yùn)動(dòng)使松弛粒子分布混亂，電場使松弛粒子按電場分布，在一定溫度下發(fā)生極化粒子需要克服勢壘才能移動(dòng)，是一個(gè)不可逆過程，伴隨有能量的損耗第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能1）電子松弛極化

由弱束縛電子引起晶格熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部變化等，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子晶格熱振動(dòng)時(shí)，吸收一定能量由較低的局部能級躍遷到較高的能級（激發(fā)態(tài)），由一個(gè)結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)外加電場使弱束縛電子運(yùn)動(dòng)具有方向性，形成了極化第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能2）離子松弛極化（和粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)）由弱聯(lián)系離子產(chǎn)生在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體以及晶體的缺陷和雜質(zhì)區(qū)域，離子能量較高，易被活化遷移，這些能量較高的離子稱為弱聯(lián)系離子弱聯(lián)系離子的極化可以從一個(gè)平衡位置到另一個(gè)平衡位置去掉電場后，離子不能回到原來的平衡位置（不可逆遷移）離子松弛極化和離子電導(dǎo)不同，它僅作有限距離的遷移，只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動(dòng)第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能3、轉(zhuǎn)向極化在極性分子介質(zhì)中，無外加電場時(shí)，各極性分子的取向是隨機(jī)的，介質(zhì)整體的偶極矩為零有外加電場時(shí)，偶極子趨于轉(zhuǎn)向外電場的方向，但熱運(yùn)動(dòng)抵抗這種趨勢，最后達(dá)到平衡根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，極性分子的轉(zhuǎn)向極化率為第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能三、介電常數(shù)假設(shè)在平行板電容器的兩極板上充以一定的自由電荷當(dāng)兩極板存在電介質(zhì)時(shí)，兩極板的電位差比真空時(shí)低由于介質(zhì)的電極化，在電介質(zhì)材料表面出現(xiàn)了感應(yīng)電荷部分屏蔽了極板上的電荷所產(chǎn)生的靜電場的結(jié)果第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能根據(jù)靜電場理論：電位移矢量D可定義為：電容器極板上的自由電荷面密度，其方向?yàn)樽杂烧姾芍赶蜃杂韶?fù)電荷，單位與極化強(qiáng)度一致真空時(shí)：極板上的電位移與外加電場的關(guān)系為ε0：真空介電常數(shù)當(dāng)極板間充以均勻電介質(zhì)時(shí)（P：極化強(qiáng)度）第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能在各向同性的線性電介質(zhì)中,極化強(qiáng)度P與電場強(qiáng)度E成正比，且方向相同，即

--電介質(zhì)的極化率，對于均勻電介質(zhì)是常數(shù)，對于非均勻電介質(zhì)則是空間坐標(biāo)的函數(shù)。定量表示電介質(zhì)被電場極化的能力，是電介質(zhì)宏觀極化參數(shù)之一所以令則有第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能因此有則上式表示了電介質(zhì)中與極化有關(guān)的宏觀參數(shù)(、r、E）與微觀參數(shù)(、n0、Eloc)之間地關(guān)系。

第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.1絕緣體的介電性能在交變電場下，由于介質(zhì)的極化建立需要一定時(shí)間，E、D、P均變?yōu)閺?fù)數(shù)矢量，介電常數(shù)也變成一個(gè)復(fù)數(shù)，若介質(zhì)中發(fā)生松弛極化，它們均有不同相位，如果滯后相位角δ時(shí)

有式中：ε﹡為復(fù)介電常數(shù)，εs為靜態(tài)介電常數(shù)，

ε′、ε″分別為復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗一、電介質(zhì)損耗的基本概念在E作用下，介電質(zhì)內(nèi)部會(huì)發(fā)熱的現(xiàn)象（電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽p耗功率（介電損耗）：單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量漏導(dǎo)電流：實(shí)際使用的絕緣材料都不是完善的理想電介質(zhì)，在E的作用下，總有一些帶電粒子會(huì)發(fā)生位移引起微弱電流，這微弱電流---漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)損耗：漏電電流流經(jīng)介質(zhì)，使介質(zhì)發(fā)熱而消耗電能，因電導(dǎo)引起的損耗極化損耗：極化過程中的損耗（除彈性位移極化外的極化過程都消耗能量，如松弛極化）第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗二、介質(zhì)的損耗形式1：電導(dǎo)損耗實(shí)際使用的介電質(zhì)不可能是理想的絕緣體，在E的作用下，介質(zhì)中會(huì)有很小的電流這種電流是由帶電粒子產(chǎn)生（正、負(fù)離子；離子空位；電子和空穴等載流子）-泄漏電流電子、空穴引起的漏導(dǎo)電流—電子電導(dǎo)離子、空位引起的漏導(dǎo)電流—離子電導(dǎo)一般在低場強(qiáng)—離子電導(dǎo)，在高場強(qiáng)—電子電導(dǎo)第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗2：極化損耗松弛極化造成的極化損耗，發(fā)生在偶極子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)和離子晶格不緊密的離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中是粒子（偶極子、離子）在電場力的影響下克服熱運(yùn)動(dòng)引起的根據(jù)松弛極化機(jī)制，松弛極化建立時(shí)間較長，極化造成的電矩滯后外加電場，這是造成損耗的原因由于滯后，在極板電壓反相時(shí)，有一部分電荷被中和，并以熱的形式發(fā)出，產(chǎn)生能量損耗極化損耗和外加頻率有關(guān)，頻率高時(shí)，損耗加大，頻率低時(shí)，損耗降低第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗3：電離損耗含有氣孔的固體介質(zhì)在外加電場超過氣體電離所需要的電場強(qiáng)度時(shí)，由于氣體的電離吸收能量而造成的損耗（電離損耗）一般氣體的耐電壓能力低于固體絕緣體，電容率也比固態(tài)低，因此承受的電場強(qiáng)度比固體大，氣體易游離，電介質(zhì)損耗發(fā)熱膨脹，導(dǎo)致熱破壞或老化第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.絕緣體的電學(xué)性能

3.2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗4：結(jié)構(gòu)損耗與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密度相關(guān)的介