第九章-电介质材料

第九章电介质材料Dielectricmaterial1电介质基本物理性能（重点）一、简介二、电介质分类三、极化类型四、电介质的物理性质2一、简介电介质材料定义：在电场作用下，能建立极化的一切物质。一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。3一、简介什么是极化？在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象静电感应现象4二、极化的微观机制1电介质－是由大量电中性的分子组成。紧束缚的正、负电荷在外电场中要发生变化。①无极分子（Nonpolarmolecule）在无外场作用下整个分子无电矩。例如，CO2H2N2O2He②有极分子（Polarmolecule）在无外场作用下存在固有电矩例如，H2OHclCOSO2因无序排列对外不呈现电性。2电介质的分子：5二、极化的微观机制（1）无极分子：正负电荷重心重合，0E感应偶极矩位移极化例如，He、H2、N2、CO2、CH4等。-+0分子u（2）有极分子：正负电荷重心不重合，0分子u+-固有偶极矩0E+-+-+-取向极化例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH等。6三、极化的类型电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、松弛极化、空间电荷极化等1、电子位移极化电场作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。存在于一切介质中。建立时间短，瞬时完成；具有弹性；温度影响不大。70E2、离子位移极化无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性，偶极矩矢量和为零；离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。存在于具有离子式结构的固体无机化合物。属弹性极化，几乎没有能量损耗；响应时间也较短温度升高，出现极化程度增强趋势。83、偶极子转向极化0E受到分子热运动的无序化作用、电场的有序作用和分子间的相互作用，建立时间较长。非弹性的、随温度的升高而下降、响应时间较长93、偶极子转向极化104、松弛（弛豫）极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。离子松弛极化率与温度成反比；热运动越剧烈对弱离子规则运动阻碍越大。离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。比位移极化移动较大距离，建立的时间较慢，约为10-2s；移动时需克服一定的势垒，需吸收一定的能量，是非可逆的过程；11----++++----++++----++++外电场P12在电场作用下，在障碍处，自由电子积聚，原先混乱排布的正、负自由电荷分别向负、正极运动，使得正极积聚较多的负电荷，负极附近积聚较多的正电荷，从而出现电偶极矩，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。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；(5).空间电荷极化各种极化形式的比较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13电介质定义的解析：电介质是在电场中没有稳定传导电流通过，而以感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚电荷。物质对电场的响应分为：传导（自由电荷的长程移动）感应（束缚电荷的短程运动）14电介质=绝缘体?物质对电场的两种响应方式：传导和极化。传导性：绝缘体、半导体与导体；极化特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应。15四、电介质的物理性质电介质材料的三个基本参数：介电常数、介电损耗、介电强度1.介电常数介电性：将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性。介电常数：用来表示材料介电性的大小的参数。16①极化能力的表征——介电常数定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C0的比值为该电介质的相对介电常数：0CCr00EDEDr介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值越大，极化能力越强。电容器介质的介电常数越大，电容器存储电荷的能力越强。17D：介质中的电位移，仅与自由电荷的密度有关；E：介质中的总电场强度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。①极化能力的表征——介电常数电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸可减小。1880.1水26.4乙醇4.27~4.34石英3.80玻璃1.00059空气2.0~2.51.00000石蜡真空常用电介质材料的相对介电常数5.1~8.6酚醛树脂2.6~2.93.6~4.14.552.112.26天然橡胶环氧树脂聚氯乙烯聚四氟乙烯聚乙烯2000110钛酸钡金红石（TiO2）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3MgSiO3云母10456.1巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~10519对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压，则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相）tieUCUCQ000UCiQI00其电流为：与外电压有相差90度，是一种非损耗性电流如果极板间加入材料是弱电性的，或极性的，或两者均有，总之材料具有一定的电导，则在材料中必然会存在一个与导电性能有关的电流GU，这个电流与外电压的频率是没有关系的。则电容器总的电流应为两部分之和，可表示为：UGCiI)(020②复介电常数恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数为一恒定值。由于：dSG另：电流密度可收可表示为：故可定义复介电常数：ii**dSC故电流密度为：Eij)(Eij*损耗角定义为：电容项损耗项tanUUCi021②复介电常数②复介电常数复介电常数的实部反映介质的储存电荷的能力；复介电常数的虚部是由材料内部的各种极化跟不上外高频电场变化而引起的弛豫现象，代表着材料的损耗项。物理意义是单位体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能量通常转化成热能而耗散掉。22③多相系统电介质材料的介电常数如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时，其混合物的介电常数为：2211lnlnlnxx当介电常数为的球形颗粒均匀地分散在介电常数为的基相中时，其混合物的介电常数为：dmdmdmddmdmmxxx)332()332(23④介电常数的温度系数指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：dTdTK1各种极化的温度系数：电子位移极化的温度系数：具有不大的负温度系数离子位移极化的温度系数：具有正的温度系数松弛极化的温度系数：可能出现极大值24当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数可由定义式微分得到，即：2211TKxTKxTK应用：热稳定陶瓷电容器用一种TKε值为很小正值的晶体作为主晶体，加入另一种具有负TKε值的晶体。调节TKε到最小值。25⑤介质极化强度和极化率极化强度矢量，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：0limiVVP若介质中的电场是均匀的，则有：iVP单位为：C/m20μnP若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为，则有：μ对于线性极化，与电场强度成正比，有：μeμEeE：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。0nePE𝑃26原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3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。27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。U⑥电介质极化的宏观参数和微观参数的关系平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀极化时，整个电介质总的感应偶极矩：'QSddQ'μ极化强度：Q'dQ'SdSP000000QQ'Q'1QQQCUSCdr0εεSdSU1-SUC1-SQ1-0r0r0reEP0nr0-1PEEEe00rn128影响介电常数的微观因素：提高单位体积内的极化粒子数n0；选取极化率α大的粒子组成电介质；增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。EEe00rn1对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质，有效电场与外电场的关系为：在离子晶体中，Ee与离子种类、晶体结构等有关。EEe32r29影响介电常数的宏观因素：宏观量：温度T频率f微观量：单位体积内的极化粒子数n0极化率α有效电场Ee确认宏观因素与微观参数的关系：温度、频率分别与n0和α的关系。EEe00rn1Ee：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介质与外电场有关；在离子晶体中，与离子种类、晶体结构等有关。30介电常数与频率的关系f电子位移极化离子位移极化松弛极化空间电荷极化频率f极化率31介电常数与温度的关系考察介电常数随温度的变化关系，只需研究n0、极化率、和Ee随温度的变化关系。n0：iαα极化率：电子位移极化率：温度升高，密度降低，略微下降；离子位移极化：T升高，离子间距膨胀，极化率增加；自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向性增强，极化率下降；温度升高，由于热膨胀，单位体积内的粒子数减少；32电介质的介质损耗电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟，在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为瞬时极化。偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化建立的时间较长，称为缓慢极化，也称弛豫极化。在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（εs）。+瞬时极化与交变电场完全同步，其极化强度与电场间没有相位差。+缓慢极化需要经过一段时间才能达到相应电场下的最大极化值；缓慢极化强度与电场之间存在相位差。33随着交变电场频率的不同，介质的极化响应分3种情况：频率很低：各种极化的建立跟得上电场的变化，介质的极化响应同静电场情形；频率极高：弛豫极化完全来不及建立，不必考虑；瞬时极化仍同静电场情形；介于中间：出现极化损耗，介电常数随电场频率变化。34余弦交变电场：介质的位移电流密度：电场频率很低时：极化跟得上电场的变化，电位移D（）与电场E之间没有相位差：PED0单位时间内单位体积消耗的能量：交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。1）极化损耗35电介质的介质损耗电场频率较高时：余弦交变电场：某些类型的极化不能完全跟上电场的变化，电位移D（）与电场E之间出现相位差：介质的位移电流密度：①②①：不导致介质中出现能量损耗②：单位时间单位体积的介质中能量损耗：当极化滞后于交变电场变化时，