第三章-电介质材料-(基础知识)

电介质材料第三章3-1电介质物理基础知识3-2电容器介质材料3-3压电材料和热释电材料3-1-1电介质及其极化3-1-2电介质的介质损耗3-1-3电介质的电导和击穿3-1电介质物理基础知识电介质材料的四个基本参数：介电常数（ε）、损耗角正切（tanδ）、电导率（）、抗电强度（Ep）3-1-4电介质材料的非电性能σ3-1-1电介质及其极化室温下金属导体、半导体、电介质的电阻率分别为：ρ10-8~10-6m10-5~106108~1018mm导体半导体电介质2）在较弱电场下具有极化能力，并以电极化的方式传递、存储和记录电的作用与影响；1）电介质是绝缘体，无自由电荷，只存在束缚电荷。3）电介质可作绝缘材料，还可用于制作电容器、压电器件及介质天线等电子元器件。1.电介质的定义4）极性分子电介质和非极性分子电介质极性分子：分子的正负电荷重心不重合。例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OHqlH2O分子非极性分子：分子的正负电荷重心重合。极性分子具有固有偶极矩，非极性分子的偶极矩为零。例如，CO2、H2、N2、CH4、He电偶极子lq电偶极矩：。2.电介质的极化在电介质中，原子、分子或离子的正负电荷以共价键或离子键的形式被强烈的相互束缚着，这些束缚电荷在外电场的作用下分布发生变化，在电介质内形成感应宏观偶极矩的过程，称为电介质的极化。感应宏观偶极矩的形成：非极性介质—在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移，正负电荷相对位移的方向相反，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质整体来看，就形成了感应宏观偶极矩。极性介质—组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零，电介质对外表现出感应宏观偶极矩。'Q0E'EE：外电场0E：退极化场'E介质中的总场强：'EEE0由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质内形成与外电场方向相反的退极化场；介质的极化能力越强，退极化场越强。0E极化使电介质表面出现感应束缚电荷2.1介电常数（ε）ED取D/E比值来反映介质的极化能力：ε：电介质的介电常数；D：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。介电常数是描述介质极化能力的一个重要物理参数！Q'QQ0'Q0QUQC00UUQ'QUQC0dSC00εdSCεr0εεε0CC1QQ'1QQ'Q000rεrε：相对介电常数U0ε：真空介电常数介电常数反映了介质极化能力的大小，介质的介电常数值越大，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。r0εεε真空空气乙醇水石英玻璃石蜡1.000001.0005926.480.14.27~4.343.802.0~2.5氧化铝岩盐NaCl钛酸钙金红石（TiO2）钛酸钡晶体:11.28~13.276.12130~150晶体:86~170晶体:160~4500陶瓷:80~110陶瓷:1700陶瓷:9.5~11.2聚乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯环氧树脂天然橡胶酚醛树脂2.262.114.553.6~4.12.6~2.95.1~8.6常用电介质材料的相对介电常数2.2介质极化强度和极化率为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：PVilimP0V若介质中的电场是均匀的，则有：ViP单位为：C/m2μ0nP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eEμ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。eEP0nU2.3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：SQ'SddQ'P000QQ'1QQ'QrεSdSU1-SUC1-SQ1-0r0r0rUQC00dSC00εeEP0nE0r1-EEe00rn1提高电介质的介电常数：提高单位体积内的极化粒子数n0；选取极化率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：EEe32r这样的有效电场称为洛伦兹（Lorentz）有效电场，将其代入εr公式：00rr3n21-称为克—莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下，联系电介质极化宏观参数与微观参数的关系式。2.4电介质极化的类型电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化1）电子位移极化电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，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。00E0E电子云原子核电子位移极化模型图+q-q电子位移极化率与温度无关：温度的高低不足以改变原子或离子的半径。电子位移极化建立的时间很短，约在10-14~10-16s范围；如果所加电场为交变电场，即使电场频率高达光频，电子位移极化也来得及响应。电子位移极化存在于一切介质中。eeeEαμ电子位移极化产生的感应偶极矩：eα为电子极化率：304reα电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径r越大，电子离原子核越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。（电子位移极化率的数量级为10-40F.m2）实验测量得到的值并不严格等于，不同原子和离子比值大小不一样，值大的原子或离子越容易发生极化。eα304r304/reα304/reα（P10，表2-2）eeEn0ePeαr0neP2）离子位移极化++μμ-偶极矩矢量和为零；0E++感应偶极矩：eiiEμ33）（rraii为离子位移极化率。当离子位移为完全弹性位移时，可以得出：离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微；离子位移极化对外场的响应时间也较短，约为10-12~10-13s。（离子位移极化率的数量级为10-40F.m2）（a为晶格常数，晶体密堆积时）rra3）偶极子转向极化+-+-+-0E00E在没有外电场时，分子的热运动使偶极子作混乱排布，分子固有偶极矩在空间个方向的取向几率相同，宏观偶极矩为零。0μ在电场作用下，极性分子沿电场方向取向几率大于其它方向，形成宏观偶极矩。0μ极性分子具有固有偶极矩，可以把它们看成偶极子。可以证明，偶极子转向极化率为：kTu320偶极子转向极化率随温度的升高而下降：温度升高，热运动的抗取向作用加剧；偶极子转向极化对外电场的响应时间较长，约为10-8~10-2s。（偶极子转向极化率的数量级为10-38F.m2）4）离子松弛极化玻璃态物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷区域，离子本身能量较高，容易受热激活，越过势垒，在不同的平衡位置之间跃迁，称为弱束缚离子。UxUxABΔU跃迁几率相同AB沿电场方向迁移几率增加++在电场作用下，沿电场方向产生过剩跃迁的离子，使电介质电荷分布不均，形成电偶极矩。离子松弛极化率：，与温度成反比；kTXqt1222离子松弛极化建立的时间较慢，约为10-2s；X00E0E离子松弛极化是非可逆的过程，且离子跃迁的距离可与晶格常数相比拟。5）空间电荷极化当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下，载流子将移动，使介质有微小的漏导电流。++e++0E移动的载流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷处，形成空间电荷的局部积累，使介质中电荷分布不均，从而产生电偶极矩，发生极化。空间电荷极化与介质的电导密切相关；空间电荷极化建立的时间很长，在几分之一秒到几个小时范围内。6）自发式极化某些晶体具有特殊的结构，其晶胞自身的正负电荷重心不重合，即晶胞具有极性。由于晶体结构的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐级影响到相邻的晶胞，使它们的固有偶极矩朝向相同的方向。由于这种极化状态是在外电场为零时自发建立的，称为自发极化。具有相同极化方向的自发极化区域，称为电畴。没有外电场时，电畴空间取向平均，介质不显极性；有外电场时，电畴沿电场方向转向，显示强烈的极化效应。电畴自发极化产生的介电常数非常高，且极化建立的时间很长。7）请思考下列介质中存在的极化类型①N2、H2、CO2非极性气体，只存在电子位移极化②SO2、H2S、HCl极性气体，存在电子位移极化和偶极子转向极化③苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯④乙醇、聚氯乙烯⑤离子晶体非极性液体或固体，只存在电子位移极化极性液体或固体，存在电子位移极化和偶极子转向极化存在电子位移极化和离子位移极化；有的还存在离子松弛极化和自发极化（如BaTiO3）3-1-2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。0E0E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。1.介质损耗和复介电常数余弦交变电场：tEE0costDD0cos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)2cos(sin-tDtDDj00dtd单位时间内单位体积消耗的能量：0cossin2220220tdttdt00EDEjW交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。1）极化损耗电场频率较高时：余弦交变电场：tEE0cos)-(costDD0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：tDtDD00sinsincoscos介质的位移电流密度：tDtDDj00cossinsincos-dtd①②①：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：sin200EDW当极化滞后于交变电场变化时，介质中产生能量损耗，称为极化损耗；极化损耗与电场频率及有关，相角称为电介质损耗角。PED02）复介电常数用复数表示交变电场下的上述关系：复电场强度：tEE0iexptEtEE00sinicos或复电位移：)i(exptDD0tDtDD00sinicos当极化跟不上外电场的变化时，与之间有角的相位差：DE)-i(exptDD0根据介电常数的定义（），引入复相对介电常数，习惯称为复介电常数：EDED0r当电位移和电场强度同位相时：当电位移和电场强度有相位差时：i-exp000rED000rED是实数；是复数；EDDjr0iidtd介质的复位移电流密度：