材料物理性能3(159)

第二章材料的介电性能主讲：胡木林2016年10月《材料物理性能》引言在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为其主要内容。随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同。《材料物理性能》——材料的介电性能以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研究物质内部电极化过程。固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等，从而引起了广泛的研究。实际上，这些性质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子)以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在，固态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭的领域。特别是在激光出现以后，研究晶态电介质与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学。《材料物理性能》——材料的介电性能1.以电荷长程迁移即传导的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导电材料；。材料对外电场作用的响应2.以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质；这种现象称为电介质的极化。。极化电介质及其极化在电学理论中，给出电容的定义为：电容：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量对于真空平板电容器有：《材料物理性能》——材料的介电性能QCV000//VdAQCAdVV00/QAEAVdA电介质及其极化当平板之间插入一种材料后，平板电容器的电容增加为C：该材料称为介电材料，属于电介质。《材料物理性能》——材料的介电性能0rCC介电常数1）材料因素：ε材料在电场中被极化的能力2）尺寸因素：d和A：平板间的距离和面积如果介电介质为真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CC0真空介电常数：ε0=8.85×10-12F.m-1(法拉/米)相对介电常数：εr介电常数（电容率）：=0r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdAVQCdACCrr/00《材料物理性能》——材料的介电性能电偶极子与电偶极矩电偶极子（electricdipole）——两个相距很近的等量异号点电荷+q与-q所组成的带电系统。电偶极矩（electricdipolemoment）——电偶极子中的一个电荷的电量与轴线的乘积，简称电矩。LqP→→电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。平板电容器中的电介质，在外电场作用下，在正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这些感应电荷称为束缚电荷。极化——在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。常用的电介质有，陶瓷、玻璃和聚合物等。工作电场的频率对一些电介质的介电常数有影响，特别是陶瓷类电介质。极化相关物理量电偶极矩：极化电荷：电极化强度P——电介质极化程度的量度；《材料物理性能》——材料的介电性能qlPV《材料物理性能》——材料的介电性能'mmNqlANPA假设每个分子电荷的表面积为A，则电荷占有的体积为lA，且单位体积内有Nm个分子，则单位体积有电量为Nmq，那么，在lA的体积中的电量为NmqlA，则表面电荷密度为：00int.DdSEPdSq高斯定理：00int01EdSq000EPE电介质极化机制电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子的极化、离子的极化、电偶极子取向极化和空间电荷极化等。电子极化和离子极化又都可分为位移极化和弛豫极化。位移极化电子位移极化——外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移而引起的极化。由于电子很轻，对电场的反应很快，可以光频跟随外场变化。采用玻尔原子模型来分析电子位移极化率。模型假设一点电荷(-q)沿绕核电荷(+q)的一个圆周轨道运行。在电场作用下，电子轨道反电场方向移动一段小距离d，因此形成一感应偶圾矩：《材料物理性能》——材料的介电性能eqd当电场力与恢复力平衡时，所以，《材料物理性能》——材料的介电性能qEKd/dqEK2/eeqdqEkE2/eqK由右图圆周轨道模型可见，恢复力等于电子与原子核之间的库仑引力在电场方向的分量，201/22222023/2220sin44qdFFrdrdqdrd《材料物理性能》——材料的介电性能2304qdFKdr2304qKr230/4eqKr当我们考察同类原子的一个集合体时，则所有原子的电子轨道是随机取向的，电子轨道的平面并不都垂直于电场方向。那么，某一原子在电子轨道平面的法线n的感应偶极矩为：在电场方向上的感应偶极矩为：同类原子集合体在电场方向的平面感应偶极矩为在电场作用下，位移dr时，《材料物理性能》——材料的介电性能为各原子的感应偶极矩相对于电场方向取向角余弦平方的平均值若电场强度比较低，原子的电子轨道在空间是连续分布的，则，式中，V为原子体积。这样，电子位移极化率为，若电场强度足够高，使所有原子的电子轨道平面都垂直于电场方向，则：3043er230cos14er电子位移极化率的大小与原子（离子）的半径有关离子位移极化在离子晶体中，除存在电子位移极化以外，在电场作用下，还会发生正、负离子沿相反方向位移形成离子位移极化。《材料物理性能》——材料的介电性能离子位移极化模型（一维）如下图所示，简单离子晶体(NaCl)中，没有外电场时，各正、负离子对形成的偶极矩相互抵消，极化强度为零；加上电场以后，所有的正离子顺电场方向移动，所有的负离子则逆电场方向移动。结果，正、负离子对形成的偶极矩不再相互抵消，极化强度不为零而呈现宏观电矩。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率为：《材料物理性能》——材料的介电性能3041aan711n离子位移极化完成的时间约为10-12~10-13s，因此，在交变电场中，电场频率低于红外光频率时，电子位移极化便可以进行。弛豫极化弛豫极化释由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。材料中存在弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，外加电场使其有序化分布，而热运动使其混乱分布，最后达到平衡极化状态。弛豫极化建立平衡极化时间约为10-2~10-3s，并且要克服一定的位垒，因此，弛豫极化是一种非可逆过程。电子弛豫极化晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成所谓的弱束缚电子。具有电子弛豫极化的介质往往具有电子导电特性。极化是一种不可逆过程，建立时间约为10-2~10-3s，电场频率高于109Hz时，这种极化就不存在。《材料物理性能》——材料的介电性能离子弛豫极化在玻璃态物质、结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子为弱联系离子。弱联系离子弛豫极化时，其迁移的距离可达晶格常数数量级。根据弱联系离子在有效电场作用下的运动，以及对弱离子运动位垒计算，可得到离子弛豫极化率的大小：《材料物理性能》——材料的介电性能2212aTqkT离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级，因此电介质的介电常数较大。离子弛豫极化的时间约为10-2~10-5s，电场频率在无线电频率106以上时，则无离子弛豫极化对电极化强度的贡献。关于弛豫弛豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。取向极化《材料物理性能》——材料的介电性能极性电介质的分子，由于热运动，极性分子的偶极矩的取向是任意的，偶极矩在各个方向的几率是相等的，它的宏观电矩等于零。当极性分子受到电场E的作用时，每个偶极子都将受到电场力矩的作用，使它们转向与外电场平行的方向。当偶极矩与电场的方向相同时，偶极子的位能最小，所以，就电介质整体而言，电矩不再等于零，而出现了与外电场同向的宏观电矩，这种极化就称为偶极子的取向极化。偶极子的转向极化由于受到电场力转矩作用，分子热运动的阻碍作用以及分子之间的相互作用，所以这种极化所需的时间比较长，取向极化完成的时间约为10-2~10-10s。203dkT为无电场时的均方偶极矩20空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化。----++++----++++----++++外电场P《材料物理性能》——材料的介电性能空间电荷极化是不均匀电介质也就是复合电介质在电场作用下的一种主要的极化形式。极化的起因是电介质中的自由电荷载流子(正、负离子或电子)可以在缺陷和不同介质的界面上积聚，形成空间电荷的局部积累，使电介质中的电荷分布不均匀，产生宏观电矩。空间电荷极化随温度升高而下降，因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减少。空间电荷极化需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子位移松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有各种极化形式的比较空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系宏观极化强度与微观极化率的关系1退极化场和局部电场2克劳修斯-莫索堤方程适用于分子间作用很弱的气体，非极性液体和非极性固体以及一些Nacl型离子晶体或立方对称的晶体。dElocE克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E0Ed外加电场E0束缚电荷产生的电场Ed（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）E宏=E0+Ed1.宏观电场：－++++－－－－++－－+－++++－－－2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E0+Ed+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E0EdE2E3对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场Ed之和。对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：由P=Q1/A=oEd得：Ed=P/oEd的计算：假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用Ed＋E2和球内介质的作用E3根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电荷上的P方向分力dF：dF=－（－PcosdS/4o