第三章電介質(zhì)材料（基礎(chǔ)知識）

1、電 介 質(zhì) 材 料,第三章,3-1 電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識,3-2 電容器介質(zhì)材料,3-3 壓電材料和熱釋電材料,3-1-1 電介質(zhì)及其極化,3-1-2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗,3-1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿,3-1 電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識,電介質(zhì)材料的四個基本參數(shù)：,介電常數(shù)（）、損耗角正切（tan）、電導(dǎo)率（ ）、抗電強度（ Ep ）,3-1-4 電介質(zhì)材料的非電性能,3-1-1 電介質(zhì)及其極化,室溫下金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)的電阻率分別為：,10-8 10-6,10-5 106,108 1018,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,電介質(zhì),2）在較弱電場下具有極化能力，并以電極化的方式傳遞、存儲和記錄電的作用與影響；,1）

2、電介質(zhì)是絕緣體，無自由電荷，只存在束縛電荷。,3）電介質(zhì)可作絕緣材料，還可用于制作電容器、壓電器件及介質(zhì)天線等電子元器件。,1. 電介質(zhì)的定義,4）極性分子電介質(zhì)和非極性分子電介質(zhì),極性分子：分子的正負電荷重心不重合。,例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH,H2O分子,非極性分子：分子的正負電荷重心重合。,極性分子具有固有偶極矩，,非極性分子的偶極矩為零。,例如， CO2、 H2、N2、CH4、He,電偶極子,電偶極矩： 。,2. 電介質(zhì)的極化,在電介質(zhì)中，原子、分子或離子的正負電荷以共價鍵或離子鍵的形式被強烈 的相互束縛著，這些束縛電荷在外電場的作用下分布發(fā)生變化，在電介質(zhì)

3、內(nèi) 形成感應(yīng)宏觀偶極矩的過程，稱為電介質(zhì)的極化。,感應(yīng)宏觀偶極矩的形成：,非極性介質(zhì) 在電場作用下，正負電荷在微觀尺度作偏離平衡位置的相對位移， 正負電荷相對位移的方向相反，在相距一定距離之后，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩；電介質(zhì) 整體來看，就形成了感應(yīng)宏觀偶極矩。 極性介質(zhì) 組成介質(zhì)的分子具有極性或正負離子的中心不重合，其本身就具有 固有偶極矩；在沒有外電場時，熱運動使固有偶極矩混亂取向，偶極矩的矢量和 為零；有外電場時，偶極子沿電場方向取向幾率增加，偶極矩的矢量和不再為零， 電介質(zhì)對外表現(xiàn)出感應(yīng)宏觀偶極矩。,：外電場,：退極化場,介質(zhì)中的總場強：,由于介質(zhì)的極化，在介質(zhì)表面出現(xiàn)符號相反的感應(yīng)電荷，在介質(zhì)

4、內(nèi)形 成與外電場方向相反的退極化場； 介質(zhì)的極化能力越強，退極化場越強。,極化使電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷,2.1 介電常數(shù)（）,取D/E比值來反映介質(zhì)的極化能力：, ：電介質(zhì)的介電常數(shù)；,D ：介質(zhì)中的電位移，僅與自由電荷的密度有關(guān)；,E ：介質(zhì)中的總電場強度，與自由電荷密度和介質(zhì)表面的束縛電荷密度都有關(guān)。,介電常數(shù)是描述介質(zhì)極化能力的一個重要物理參數(shù)！,：相對介電常數(shù),：真空介電常數(shù),介電常數(shù)反映了介質(zhì)極化能力的大小，介質(zhì)的介電常數(shù)值越大，極化能力越強；,電容器介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電容器存儲電荷的能力越強。,常用電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù),2.2 介質(zhì)極化強度和極化率,為了描述電介質(zhì)在外場中

5、的極化情況，引入極化強度矢量 ，它等于單位體積內(nèi)感生偶極矩的矢量和：,若介質(zhì)中的電場是均勻的，則有：,單位為：C/m2,若單位體積中有n0個極化粒子，各極化粒子偶極矩的平均值為 ，則有：,對于線性極化， 與電場強度成正比，有：,：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的局域電場，稱為有效電場；,：極化粒子的極化率，是表征微觀粒子極化性質(zhì)的微觀參數(shù)。,2.3 電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的關(guān)系,平板型電容器的極片面積為S，極片間距為d，均勻 極化時，整個電介質(zhì)總的感應(yīng)偶極矩：,S,極化強度：,提高電介質(zhì)的介電常數(shù)：,提高單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0； 選取極化率 大的粒子組成電介質(zhì)； 增強作用于極

6、化粒子上的有效電場Ee。,對于氣體、非極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)高度對稱或完全無序的介質(zhì)， 有效電場與外電場的關(guān)系為：,這樣的有效電場稱為洛倫茲（Lorentz）有效電場，將其代入r公式：,稱為克 莫極化方程，是在采用洛倫茲有效電場的情況下，聯(lián)系電介質(zhì)極化 宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的關(guān)系式。,2.4 電介質(zhì)極化的類型,電子位移極化、離子位移極化、 偶極子轉(zhuǎn)向極化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發(fā)極化,1）電子位移極化,電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場的作用下，粒子中的 電子云相對于原子核發(fā)生位移，而感生一個沿電場方向的感應(yīng)偶極矩。,電子云,原子核,電子位移極化模型圖,+q,-q,電子位移極化率與溫

7、度無關(guān)：溫度的高低不足以改變原子或離子的半徑。 電子位移極化建立的時間很短，約在10-14 10-16 s范圍；如果所加電場為交變 電場，即使電場頻率高達光頻，電子位移極化也來得及響應(yīng)。 電子位移極化存在于一切介質(zhì)中。,電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩：,為電子極化率：,電子極化率與原子半徑的立方成正比，電子軌道半徑 r 越大，電子離原子核 越遠，與原子核之間的吸引力越弱，越容易發(fā)生極化。,（電子位移極化率的數(shù)量級為10-40 F.m2）,實驗測量得到的 值并不嚴格等于 ，不同原子和離子 比值大小不一樣， 值大的原子或離子越容易發(fā)生極化。,（P10，表2-2）,2）離子位移極化,偶極矩矢量和為零；

8、,感應(yīng)偶極矩：,為離子位移極化率。,當(dāng)離子位移為完全彈性位移時，可以得出：,離子位移極化率隨溫度的升高而增大，但增加甚微； 離子位移極化對外場的響應(yīng)時間也較短，約為10-12 10-13 s。,（離子位移極化率的數(shù)量級為10-40 F.m2）,（a為晶格常數(shù)，晶體密堆積時 ）,3）偶極子轉(zhuǎn)向極化,在沒有外電場時，分子的熱運動使偶極子作混亂排布， 分子固有偶極矩在空間個方向的取向幾率相同，宏觀 偶極矩 為零。,在電場作用下，極性分子沿電場方向取向幾率大于 其它方向，形成宏觀偶極矩。,極性分子具有固有偶極矩 ，可以把它們看成偶極子。,可以證明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：,偶極子轉(zhuǎn)向極化率隨溫度的升高而下

9、降：溫度升高，熱運動的抗取向作用加??；,偶極子轉(zhuǎn)向極化對外電場的響應(yīng)時間較長，約為10-8 10-2 s。,（偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)量級為10-38 F.m2）,4）離子松弛極化,玻璃態(tài)物質(zhì)、機構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，離子本身能量較高， 容易受熱激活，越過勢壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱為弱束縛離子。,U,x,U,x,A,B,U,躍遷幾率相同,A,B,沿電場方向遷移幾率增加,+,+,在電場作用下，沿電場方向產(chǎn)生過剩躍遷的離子，使電介質(zhì)電荷分布不均， 形成電偶極矩。,離子松弛極化率： ，與溫度成反比；,離子松弛極化建立的時間較慢，約為10-2 s；,離子松弛極化是非可逆的過程，且離

10、子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。,5）空間電荷極化,當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子（正負離子和電子）時，在外電場作用下， 載流子將移動，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。,移動的載流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處，形成空間電荷的局部 積累，使介質(zhì)中電荷分布不均，從而產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生極化。,空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)； 空間電荷極化建立的時間很長，在幾分之一秒到幾個小時范圍內(nèi)。,6）自發(fā)式極化,某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其晶胞自身的正負電荷重心不重合，即晶胞具有極性。,由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在某一方向出現(xiàn)偶極矩時，將逐 級影響到相鄰的晶胞，使它們的固有偶極矩朝向相同的方向。由

11、于這種極化狀 態(tài)是在外電場為零時自發(fā)建立的，稱為自發(fā)極化。,具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱為電疇。沒有外電場時，電疇空間取向平 均， 介質(zhì)不顯極性；有外電場時，電疇沿電場方向轉(zhuǎn)向，顯示強烈的極化效應(yīng)。,電疇,自發(fā)極化產(chǎn)生的介電常數(shù)非常高，且極化建立的時間很長。,7）請思考下列介質(zhì)中存在的極化類型, N2、H2、CO2,非極性氣體，只存在電子位移極化, SO2、H2S、HCl,極性氣體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化, 苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯, 乙醇、聚氯乙烯, 離子晶體,非極性液體或固體，只存在電子位移極化,極性液體或固體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化,存在電子位移極化和離

12、子位移極化；有的還存在離子松弛極化和 自發(fā)極化（如BaTiO3）,3-1-2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗,電子位移極化和離子位移極化建立的時間極短，可以與可見光的周期相比擬， 在遠低于光頻的無線電頻率范圍，這兩種極化可以看成是即時的，稱為瞬時極化。,偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化建立的時間較長， 稱為緩慢極化，也稱弛豫極化。,在靜電場下測得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)（s）。,+,瞬時極化與交變電場完全同步， 其極化強度與電場間沒有相位差。,+,緩慢極化需要經(jīng)過一段時間才能達到 相應(yīng)電場下的最大極化值； 緩慢極化強度與電場之間存在相位差。,隨著交變電場頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分3種

13、情況：,頻率很低：各種極化的建立跟得上電場的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng) 同靜電場情形；,頻率極高：弛豫極化完全來不及建立，不必考慮； 瞬時極化仍同靜電場情形；,介于中間：出現(xiàn)極化損耗，介電常數(shù)隨電場頻率變化。,1. 介質(zhì)損耗和復(fù)介電常數(shù),余弦交變電場：,介質(zhì)的位移電流密度：,電場頻率很低時： 極化跟得上電場的變化，電位移D（ ）與電場E之間沒有相位差：,單位時間內(nèi)單位體積消耗的能量：,交變電場頻率很低時，介質(zhì)中沒有極化損耗。,1）極化損耗,電場頻率較高時：,余弦交變電場：,某些類型的極化不能完全跟上電場的變化，電位移D（ ） 與電場E之間出現(xiàn)相位差 ：,介質(zhì)的位移電流密度：,：不導(dǎo)致介質(zhì)中出現(xiàn)能量損

14、耗,：單位時間單位體積的介質(zhì)中能量損耗：,當(dāng)極化滯后于交變電場變化時，介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗，稱為極化損耗； 極化損耗與電場頻率 及 有關(guān)，相角 稱為電介質(zhì)損耗角。,2）復(fù)介電常數(shù),復(fù)電位移：,當(dāng)極化跟不上外電場的變化時， 與 之間有 角的相位差：,根據(jù)介電常數(shù)的定義（ ），引入復(fù)相對介電常數(shù)，習(xí)慣稱為復(fù)介電常數(shù)：,當(dāng)電位移和電場強度同位相時：,當(dāng)電位移和電場強度有相位差時：,是實數(shù)；,是復(fù)數(shù)；,介質(zhì)的復(fù)位移電流密度：,的實數(shù)部分：,的實數(shù)部分：,復(fù)介電常數(shù)：,沒有能量損耗：無功電流密度,產(chǎn)生能量損耗：有功電流密度,單位時間單位體積極化損耗的能量為：,在實際應(yīng)用中，介質(zhì)損耗常用 值來表示：,稱為介

15、質(zhì)損耗角正切。,（損耗因子）,2. 德拜方程,由極化弛豫過程，德拜首先提出并建立了復(fù)介電常數(shù)與頻率之間的關(guān)系， 稱為德拜方程：,：頻率 ，即靜電場時的介電常數(shù)，稱靜態(tài)介電常數(shù),：頻率 時的介電常數(shù)，稱光頻介電常數(shù),：弛豫時間，極化強度降為最大值的1/e時所需要的時間,2.1 復(fù)介電常數(shù)的頻率特性：,：隨頻率的增加而降低，從靜態(tài)值 降至光頻值 ；,1） 時： ， ，即靜電場下的情況；,2） 時： ， ，即光頻下的情況；,3） 在 之間時：,：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率 。,附近： 和 發(fā)生劇烈變化，稱為彌散區(qū)域。,2.2 的頻率特性：,隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率：,的頻率特性與 類似：,

16、時：大致與 成正比；,時：大致與 成反比；,時：通過極大值。,3. 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系,宏觀介電常數(shù)與微觀參數(shù)：介質(zhì)單位體積中的極化粒子數(shù)、 粒子的極化率及有效電場有關(guān)，考察 隨溫度的變化關(guān)系，只需研究 n0、 、和 Ee 隨溫度的變化關(guān)系。,4. 計及漏導(dǎo)電流時的介質(zhì)損耗,任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場后，除極化損耗外， 還有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生，電流做功，以熱的形式散發(fā)出來，形成介質(zhì)損 耗的一部分，稱為漏導(dǎo)損耗，也稱電導(dǎo)損耗。,介質(zhì)損耗：,：極化引起的損耗角正切；,：電導(dǎo)引起的損耗角正切；,( 為介質(zhì)的電導(dǎo)率),： ，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：,1）,與頻率的關(guān)系：,3）隨著頻率的升高

17、，極化損耗開始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；,2）頻率很低時： 可忽略不計；損耗主要由電導(dǎo)引起：,4）頻率極高時：,與電導(dǎo)率 的關(guān)系：,當(dāng)電介質(zhì)的電導(dǎo)增加時，漏導(dǎo)損耗的比例就相應(yīng)增加；,1） 很小時：明顯的極化損耗特征；,2） 逐漸增大時：極化損耗極大值逐漸變得不明顯；,3） 很大時：極大值完全被淹沒， 隨頻率增加迅速下降， 表現(xiàn)出明顯的電導(dǎo)損耗特征。,1,2,3,4,5,O,電導(dǎo)率 與溫度的關(guān)系：,低溫區(qū)：極化損耗為主；,高溫區(qū)：漏導(dǎo)損耗呈指數(shù)急劇上升。,O,T,極化損耗,與溫度的關(guān)系：,與溫度的關(guān)系，隨著 的增加， 極化損耗也逐漸被電導(dǎo)損耗覆蓋。,1. 電介質(zhì)的電導(dǎo),3-1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿

18、,實際電介質(zhì)中或多或少地存在著一定量的自由帶電粒子，在不高的外電場下， 這些載流子定向遷移，形成很小的電流，稱為漏導(dǎo)電流。,若電介質(zhì)中正負載流子的濃度相同，均為n，每個載流子的帶電量為q，則 介質(zhì)中的電流密度為：,電導(dǎo)率和電阻率直接表征了介質(zhì)絕緣性能的優(yōu)劣； 電場不高時，電導(dǎo)率與電場無關(guān)； 提高介質(zhì)的絕緣性： 減少載流子數(shù)； 降低遷移率。,2. 電介質(zhì)的擊穿,當(dāng)電場強度相當(dāng)高時，電導(dǎo)率隨 E 升高迅速增加；若電場繼續(xù)升高，介質(zhì)的 電導(dǎo)將突然急劇增加，電介質(zhì)的絕緣性被破壞，幾乎變成導(dǎo)體，稱為電擊穿；,發(fā)生電擊穿時的臨界電壓稱為擊穿電壓；相應(yīng)的臨界電場強度稱為抗電強度（Ep）。 抗電強度表征了電介質(zhì)承受電場作用能力的高低?？闺姀姸扔袝r也稱擊穿強度。,擊穿的主要形式：,電擊穿電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接被電場力所破壞； 熱擊穿由于電介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱而被破壞； 電化學(xué)擊穿由于外加電壓的作用，致使電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化而引起擊穿。,3-1-4 電介質(zhì)材料的非電性能,1. 熱穩(wěn)定性,介電常數(shù)溫度系數(shù)：,熱穩(wěn)定性：在溫度變化時，電介質(zhì)材料的電參數(shù)和其他物理量的