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介电材料,又称电介质,是电的绝缘材料,主要用于制造电容器。3.1电介质及其极化1.电容,两个邻近导体加上电压后具有储存电荷的能力的度量。C(F)=Q(C)/V(V)表征的是电容器容纳电荷的本领。2.介电率及介电常数(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,真空介电常数:相对介电常数:3.电介质的极化介电材料:放在平板电容器中增加电容的材料电介质:在电场作用下能建立极化的物质。感应电荷(束缚电荷):在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外电场时,在整机附近的介质表面感应出的负电荷,负极板附件的介质表面感应出的正电荷。-----------++++++++++-----------++++++++++束缚电荷形成新的电场,该电场与外加电场的方向相反---退极化场Ed。宏观电场:E宏=E0+Ed极化:电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化电荷:电介质在外电场的作用下,在和外电场相垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自由移动,也不能离开,总保持中性。4.极化的相关物理量(1)电解质的分类:极性分子电解质和非极性分子电解质----分子的正负电荷统计重心是否重合,是否有点偶极子?Q:所含电量;l:正负电荷重心距离电介质在外电场作用下,无极性分子的正负电荷重心重合将产生分离,产生电偶极矩。据分子的电结构,电介质可分为:极性分子电介质:H2O;CO(有)非极性分子电介质:CH4;He(2)电极化强度(P):电解质极化程度的量度(C/m2).P=Σμ/ΔVΣμ:电介质中所有电偶极矩的矢量和ΔV:Σμ所有电偶极矩所在空间的体积资料表明,电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比,即P=X0ε0EX0:电极化率ε0:真空介电常数E:电场强度电解质的极化机制,电介质在外加电场作用下的宏观极化强度,实际上是电介质微观上各种极化机制共同作用的结果:电子极化、离子极化、电偶极子取向极化、空间电荷极化等。实际电场作用下的电极化强度P可表示为克劳修斯—莫索堤方程:即电介质在所有偶极矩的总和,即:P=∑NiūiNi:第i种偶极子数目;ūi:第i种偶极子平均偶极矩电介质在电场中的破坏1.介质的击穿:当电场强度超过某一临界值时,介质由介电状态变为导电状态,该现象成为介电强度的破坏,或介质的击穿。2.击穿电场强度:介质击穿时,相应的临界电场强度称为介质强度,或击穿电场强度。注,介电强度,一种介电材料在不发生击穿或者放电的情况下承受的最大电场。介电强度依赖于材料的厚度,厚度减小,介电强度增加;介电强度还与环境温度和气氛、电极形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体各向异性、非晶体结构等因素有关。电击穿1.电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿,由此产生点坑、孔洞和通道并连通;2.击穿发生于材料的表面,通过表面水分或污染杂质增加了击穿的可能性;3.电击穿是一种集体现象,能量通过其它粒子(例如,已经从电场中获得了足够能量的电子和离子)传送到被击穿的组分中的原理或分子上。压电性电介质作为材料,主要用于电子工程中的绝缘材料、电容器材料和封装材料—应用的是电介质的共性性质。电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探测等领域—电介质的三种特殊性质,即压电性、热释电性、铁电性。正压电效应实验1880年,Piere兄弟实验发现,对α-石英单晶体在一定方向上加力,则在力的垂直方向出现正负束缚电荷—压电效应。具有压电效应的物体—压电体。正压电效应:是机械能转换成电能的过程即当晶体受到一定的机械力作用时,一定方向的表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷。作用力反向时,表面电荷性质亦反号。电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。--用于传感测力逆压电效应:当晶体在外加电场作用下,晶体的某些方向产生形变或谐振现象,形变与电场强度成正比。电致伸缩:任何电介质在外电场作用下,会发生尺寸变化,产生应变。其大小与所加电压平方成正比。如,电致伸缩陶瓷PZN(锌铌酸铅陶瓷)对于一般电介质,电致伸缩效应所产生的应变实在太小,可以忽略.石英晶体的化学组成是SiO2,3个Si原子和6个O原子位于晶包的格点上。Si4+,O2-。压电性产生的原因当材料受到压缩应力的作用时,A面Si4+挤入两个O2-间,B面O2-挤入两个Si4+间。因此,A面出现负电荷,B面出现正电荷。---纵向压电效应当材料受到压缩应力的作用时,C、D侧的硅离子和氧离子都向内移动同样的距离,因此,C、D面不出现电荷,A面出现正电荷,B面出现负电荷。---横向压电效应CD压电效应与晶体的对称性有关。压电效应的本质是对晶体施加应力时,改变了晶体内的电极化。因此电极化只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生。只有结构上没有对称中心,才有可能产生压电效应。而且必须是:电介质(或至少具有半导体性质);其结构必须带正负电荷的质点--离子或离子团存在(离子晶体或离子团组成的分子晶体)常用:α-石英,钛酸钡,钛酸铅,钛酸钼等。热释电性热释电性(热电性):由于温度的变化引起材料电极化强度变化的性质。热释电现象—坤特法显示电气石的热释电性均匀加热电气石[(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31],同时向电气石喷射硫磺粉和铅丹粉。结果发现:电气石的一面呈现黄色,另一面呈现红色。热释电现象—坤特法显示电气石的热释电性原因:电气石属于三方晶系,具有唯一的极轴。没有受热时,电气石的自发极化电偶极矩完全被吸附的空气中的电荷屏蔽掉了。受热后,由于温度的变化,自发极化改变,屏蔽电荷失去平衡。晶体正电荷一面吸引硫磺粉呈黄色,负电荷侧吸引铅丹粉呈红色极轴:即晶体唯一的轴,该轴的两侧往往具有不同的性质热释电性产生的条件:晶体,一定是具有自发极化的晶体,在结构上据有极轴;极轴,晶体唯一的轴,二端往往具有不同性质,且采用对称操作不能与其它方向重合。有热释电效应一定有压电效应,反之不然。提问:为什么说具有对称中心的物体不可能具有热释电性?从压电性和热释电性产生的条件知:对于具有对称中心的物体,当压电效应发生时,机械应力引起正负电荷的重心产生相对位移,一般来说不同方向上的位移大小是不相等的,因而出现电偶极矩;而当温度变化时,晶体受热膨胀在各个方向同时发生,在对称方向必然有相同的膨胀系数,即对称方向上引起正负电荷中心的相对位移也是相等的,即没有电偶极矩的改变,因此极化强度没变,所以没有热释电性。压电性和热释电性是材料的重要性质:1.一些无对称中心的物体可具有压电性2.具有极轴和自发极化的晶体介质具有热释电性。铁电性电滞回线,罗息盐(酒石酸钾钠—NaKC4H4O6·4H2O)的极化强度随外加电场的变化如右图所示。铁电体,具有电滞回线性质的晶体。(晶体中并不含有铁)由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似,因此,把具有这种晶体称为铁电体。研究发现,当把罗息盐加热到24℃,电滞回线消失---铁电体具有自发极化现象,即电偶极矩在外电场作用下可以转向,甚至反向。在同一电场强度下,极化强度可以有双值。存在电畴电畴,铁电体自发极化时能量升高,状态不稳定,晶体趋向于分成许多小区域,每个小区域电偶极子沿同一方向,不同小区域的电偶极子方向不同,每个小区域为电畴。畴壁,畴之间的边界地区,决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。铁电体在外电场作用下,趋向于与外电场方向一致,称为畴转向。通过新畴的出现,发展和畴壁移动来实现的;外加电铲去除后,小部分电畴偏离极化方向,恢复原位,大部分停留在新转向的极化方向上,为剩余极化。BaTiO3晶体电畴结构示意图电矩反平行方向1800畴壁900畴壁斜方晶系里有600和1200畴,菱形晶系里有710和1090畴电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。电畴运动是通过新畴的出现、发展和畴壁移动实现的。在外电场作用下,铁电畴总是趋向于与外电场方向一致~~畴转向;1800畴主要是通过尖劈型新畴发展来的,900畴主要是畴壁侧向移动实现的。1.没有外电场时,晶体总电矩为零。2.加上外加电场时,沿电场方向的畴扩展变大,与电场方向的畴变小,因此,总的极化强度随外电场增加而增加,表现为图中的OA段。3.随着电场强度的继续增大,晶体电畴都趋向于电场方向,类似于形成一个单畴,表现为图中的OB段。4.继续增加电场强度,极化强度与电场强度呈线性关系,表现为BC段。5.若电场强度自C处下降,晶体极化强度也随之减小,E=0时的极化强度Pr称之为剩余极化强度。6.反向电场强度为-Ec时,剩余极化强度消失。7.反向电场继续增大,极化强度开始反向,直至反向极化达到饱和,表现为图中的G点。Ec为矫顽电场强度。一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系
本文标题:介电性能
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