介质2

1.8在交变电场下的介质损耗和复数介电常数如果电场的频率增高，电介质中因存在极化过渡过程会变得跟不上电场的变化。介电常数随频率而变化起来，称这种现象为介质弛豫。电介质发生介质弛豫伴随能量损耗，介质发热。•在交变电场下复数介电常数随频率如何变化？•把ε’和ε’’的值随频率变化的现象称为介质分散和吸收。•如图。因为界面极化是最慢的现象，所以，它在声频下首先产生分散；其次是转向极化，它在射频区域内产生分散。因为电子和离子极化是非常快的现象，所以从红外进入到紫外区域便产生分散。•在产生分散频率的附近发生介质吸收（是能量损耗，在光频下是光的吸收），并且ε’’增大。松弛型分散共振型分散上述吸收电流（松弛极化引起的）现象导致：在交变电场中，介电常数是复数：ε*=ε’-iε’’定义损耗角正切tanδ为：tanδ=r’’／εr’复介电常数的实部εr’与无功电流密度成正比；虚部r’’为损耗因子，与有功电流密度成正比，而引起电介质能量损耗的正是与极化弛豫有关的有功电流。损耗角正切tanδ表示为获得给定的存储电荷要消耗能量的大小，其值愈小，表明介质材料中单位时间内损失的能量愈小，即介质损耗愈小。•忽略传导电流损耗（漏电）时，可以推出，在交变电压U=U0sinω作用下，介质中由偶极子转向极化贡献引起的复数介电常数ε*，tanδ与频率的关系可以由德拜方程式表示：221'rrsrr221)(''rrsr22)(tanrrrrssτ为转向极化的松弛时间，εs为电场下的相对介电常数；。讨论影响复数介电常数的因素：（1）。频率特性•εs为电场下的相对介电常数；。•随着频率升高，ε‘减少并接近光频下的相对介电常数ε∞221'rrsrr221'srtanδ随频率变化有一个最大值；而ε‘’随频率变化也有一个最大值，达到该值的频率低于tanδ达到最大值的频率。tanδ的最大值由松弛过程决定。22)(tanss221)(''sr•电导损耗特征的tanδ和ω成反比。•如果电介质的电导率显著增大，则tanδ在ωm处变得平坦，最后在很大的电导下，tanδ没有最大值。在考虑电介质存在的电导（漏电）后：电导率1=02345（2）温度的影响•由于松弛时间常数τ随温度升高而减小。•所以温度通过对松弛时间常数τ来影响ε和tanδ。•tanδ随温度变化有极大值。计入电介质的电导时ε和tanδ随温度的变化。•松弛极化强度达到其稳定值后，移去电场：•当电介质中只有一种形式的松弛极化时，可表示为：P=Pre(-t/)经过τ，极化强度Pr为原来的1/e，τ定义为松弛极化的松弛时间总之：电介质极化和去极化都需要时间根据以上分析可以看出，如果介质的电导很小，则松弛极化介质损耗的特征是tanδ在与频率、温度的关系曲线中都出现极大值。无机电介质结构特点：大多数都由离子构成的固体电介质。按照其结构可以将这种离子型无机电介质分成:离子型晶体;离子键无定形介质。所以下面先分别讨论离子型晶体和离子键无定形介质的损耗特性。4。无机电介质的介质损耗晶体离子晶体（1）结构紧密的晶体离子晶体：离子堆积紧密，排列规则，离子键强度比较大，在外电场作用下很难发生离子弛豫极化，只有电子式和离子式的弹性位移极化，所以没有极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起。它们的tanδ随温度的变化呈现出电导损耗的特征。这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷(主相为α-Al2O3，其含量为99%)、滑石瓷(主相为偏硅酸镁MgO.SiO2)、金红石瓷（主相为TiO2）、镁橄榄石瓷(主相为2MgO.SiO2）等（2）结构疏松的离子晶体•在外电场作用下，晶体中的弱联系热离子有可能贯穿电极运动,产生电导损耗。•弱联系热离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子驰豫极化，由这类晶体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。•如电瓷中的莫来石（3Al2O3·2SiO2)、耐热性瓷中的qin堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）玻璃•复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗；热离子弛豫损耗；结构损耗。损耗大。图5。13玻璃的tanδ与温度的关系1-结构损耗；2-松弛损耗，3-电导损耗；4-总损耗玻璃中降低介质损耗的特殊办法：（1）中和效应。•当玻璃中需要引入的碱性氧化物浓度较大时，可用同时引入两种碱金属离子的办法，降低介质损耗和电导•这种不同的碱金属离子相互抑制的现象称为中和效应。（2）压抑效应•如果在含碱的玻璃中引入二价金属离子时，也可以使其电性能得到显著的改善。•如Ca2+、Sr2+、Ba2+主要是居于网隙之中（使玻璃密度加大），在热运动的情况下，不仅M2+本身很难跃迁，而且这种定居下来的电价相对较高的正离子，必然对碱金属离子的通过产生很大的阻力，从而阻碍碱离子的迁移，这种现象称为压抑效应。•中和效应，压抑效应：降低损耗根据上述原理，具体陶瓷材料的损耗是什么损耗？•陶瓷材料的结构特点：主要构架成分的晶相；填于晶粒间的玻璃相；少许气相组成。•陶瓷材料的损耗主要是：电导损耗；热离子驰豫极化损耗；结构损耗因此，降低陶瓷材料的介质损耗应从考虑降低材料的电导损耗和极化损耗入手。•（1）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。•（2）改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。•（3）尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应”和“压抑效应”，以降低玻璃相的损耗。1.9击穿电场强度•电介质的特性，如绝缘、介电能力，都是指在一定的电场强度范围内的材料的特性，即介质只能在一定的电场强度内保持这些性质。•在电介质上外加电压，然后逐渐提高电压，当电压达到某一电压值时，电流急剧增大，称这时的电压为击穿电压，用电介质的厚度出上这个电压就表示击穿电场。•对于凝聚态绝缘体，通常所观测到的击穿电场范围约为(105―5×106)V.cm-1。从宏观尺度看，这些电场属于高电场，但从原子的尺度看，这些电场是非常低的。•电介质的击穿电场随电介质的种类不同而不同。•但是电介质的击穿电场还受到一系列外界因素如温度，压力，电压波形，加电压时间，以及电极形状等影响。•根据固体电介质绝缘性能破坏的原因，电介质击穿的形式可以分成三类：热击穿；电击穿；电化学击穿。（1）热击穿•电介质在电场作用下要产生介质损耗，这一部分损耗以热的形式耗散掉。若这部分热量不能散发，则电介质的温度不断上升，温度的上升又导致电导率增加，流经电介质的电流亦增加，损耗加大，发热量更加……如此恶性循环，直至电介质发生热破坏，使电介质丧失其原有的绝缘性能，这种击穿称为热击穿。•热击穿除与所加电压的大小、类型、频率和介质的电导、损耗有关外，还与材料的热传导、热辐射以及介质试样的形状、散热情况、周围媒质温度等多种因素有关。•对于介质损耗较高的固体材料，在高频下的击穿形式主要是热击穿。•热击穿电压并不是电介质的一个固定不变的参数。（2)电击穿•当固体电介质承受的电压超过一定的数值时，就使其中有相当大的电流通过，使电介质丧失了原有的绝缘性能。•这种在电场直接作用下发生的电介质被破坏的现象称为电介质的电击穿。•通常采用击穿强度（也称击穿场强）来描述各种材料在电场中的击穿现象BBUEd附录：电容器简介5.4•1。云母电容器以白云母薄片敷以烧渗银浆作电极经叠压而成。耐热性、高频性和稳定性均优，适用于高频电路。可制成精密和标准电容器。云母电容器对原材料质量要求高，材料利用率低，价格较贵，在不少情况下常用电容器瓷、聚苯乙烯、聚丙烯等材料制成的电容器来代替。•云母电容器的结构很简单，它由金属箔片和薄云母层交错层叠而成。金属箔构成极板，层叠的金属箔连接在一起以增加极板面积，层数越多电容也就越大。由于其性价比较低以及新型电容器的出现，目前云母电容器已经很少在电脑板卡上使用。•云母电容器通常的容值范围可从1pF至0.1μF，额定电压可从100V至2500V直流电压。常见的温度系数范围从-20ppm/°C至+100ppm/°C。云母的典型介电常数为5。•2。瓷介电容器•Ⅰ类瓷介电容器•它的介质主要是碱土金属或稀土金属的钛酸盐、锡酸盐的固熔体。高频性能好，广泛用于高频耦合、旁路、隔直流、振荡等电路中。另外，还可制成具有各种温度系数的电容器，用于温度补偿电路。在大功率发射机和高频加热设备中的高压、大功率电容器均以陶瓷为介质。在陶瓷薄膜上，敷以金属浆为电极，叠压烧结而成独石结构电容器，具有小型化的优点。Ⅱ类瓷介电容器•它的介质是用钛酸钡或其他类似材料（钛酸钙、钛酸锶等）形成的固熔体。这些介质有极高的介电常数，所以可制成体积小、容量大的电容器。利用陶瓷成膜技术制成的独石结构电容器体积更小。但这类电容器电性能较差、受温度的影响较大、稳定性也不好，只适用于低压、直流和低频电路。陶瓷电容器的基本结构和云母电容器十分相似，只不过电介质由云母变成了陶瓷薄片。我们在板卡上常见的陶瓷电容器通常为贴片式，特别是在一些高端显卡上拥有很高的上镜率。由于陶瓷的介电常数极高（1200），尽管其绝缘强度稍弱于云母（约为云母的2/3），但依然可以在电介质较厚（极板间距较大）的情况下获得较高的电容值。电介质厚度增加使得陶瓷电容的额定电压普遍很高。陶瓷电容器通常容值为1pF至2.2μF，额定电压可达6000V。陶瓷电容器典型的温度系数为200000ppm/°C。薄膜电容器以塑料薄膜为电介质，因此也被称为塑料膜电容器。聚碳酸酯、丙烯、聚酰胺酯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚酯薄膜都是常用的绝缘材料。•例题：某介质的s=10,∞=2,=10-10s，请画出’，’’和tanδ~lgω关系曲线，标出tanδ和’’峰值位置，’’max等于多少？’’~lgω关系曲线下的面积是多少？解:’’峰值位置:tanδ峰值位置:和tanδ~lgω关系曲线:)(21',1smssrsm2tan,1'作业3。查书，就以下材料，叙述其极化类型，以及在各种频率下可能发生的极化形式。（下周交）ＴiＯ２，PbTiO3，KCl介电性能部分思考题（不交）P.1921，2，5，6。•在考虑电介质存在的电导（漏电）后，tanδ和单位体积介质中的损耗p表达式为：])(1[)(1)(tan22rsrrs220])([Eprs22)(tanrrrrss不计电导计入电导是介质的电导率