第五章材料的介电性能

•第五章材料的介电性能•在外电场作用下，材料发生两种响应：–电传导–电感应•绝缘•起满足电容作用的器件•电介质基本概念•电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的物质，称电介质。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。•电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷在电场（包括电频电场和光频电场）作用下的电极化过程；阐明其电极化规律与介质结构的关系；揭示其宏观介电性质的微观机制，进而发展电介质的效用。•〈经典电介质科学丛书〉首批著作出版志贺介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体，兼秉丰富深刻之物理内涵，前程无限。叹我介电学科，相对滞后，极化之类基本问题，仍未彻底解开。更有心态浮燥，不重基础，回避难题，急功近利。诸多不足之处，吾人当自省。—姚熹院士姚熹乃学界之领军人物，主编《经典电介质科学丛书》，实为胆识超群之善行义举，功德无量。切望学者诸君，乘机奋起。须知经典传世之作，乃学科之根本。从此精读经典，锤炼功底，不求捷径，迎难而行。学科大发展，势在必然中。——钟维烈2019年4月电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010·cm的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。陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。无机材料与有机塑料比较：有机塑料:便宜、易制成更精确的尺寸；无机材料:具有优良的电性能;室温时在应力作用下，无蠕变或形变;有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，塑料常会氧化、气化或分解）;能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可缺少的部分。电介质：绝缘体，无自由电荷。电介质极化特点：内部场强一般不为零。1.有极分子和无极分子电介质有极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心不重合。负电荷中心正电荷中心无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合如氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)等。。lq++H+HOl介质极化和静态介电常数2.电介质的极化（1）无极分子的位移极化加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电荷中心不再重合，出现分子电矩。无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。（2）有极分子的取向极化在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由电荷+－偶极子束缚电荷1.具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象极化现象电介质的极化电极化强度矢量（1）电极化强度矢量单位体积内分子电偶极矩的矢量和。Vp（2）空间任一点总电场EEE0总电场外电场束缚电荷电场（3）电极化强度与总电场的关系EP0极化率（4）极化率与相对介电常数的关系1r•介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m)•定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)。•某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，说明：1.真空中P=0，真空中无电介质。2.导体内P=0，导体内不存在电偶极子。注意:介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。3.电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈电介质的极化电介质极化的微观机理（类型）弹性位移极化（瞬时极化）取向极化（弛豫极化）电子位移极化（ElectronicPolarizability）Responseisfast,τissmall离子位移极化（IonicPolarizability）Responseisslower偶极子取向极化（DipolarPolarizability）Responseisstillslower空间电荷极化(SpaceChargePolarizability)Responseisquiteslow,τislarge松弛极化电子松弛极化离子松弛极化电介质极化的微观机理（类型）电子云位移极化的特点：a)极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；b)具有弹性，没有能量损耗。c)温度对电子式极化影响不大。电子位移极化：电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程)电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。另一方面，壳层电子与原子核之间的相互吸引力的作用是使正负电中心重合。就是在这二各力的作用下原子处于一种新的平衡状态。在这个新平衡状态中该原子具有一个有限大小的感应偶极矩，用Pe表示感应偶极矩的大小，Pe与电场之间的关系为：EPee其中e称为电子位移极化率。EPee•利用玻尔原子模型，可具体估算出的大小，即e30eR34结论：电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关离子位移极化：对于离子组成的分子，在电场作用下，正负离子都要产生有限范围的位移，因而使介质产生感应偶极矩。这种感应偶极矩是正负离子之间出现相对位移的结果。主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。在电场E的作用下，正负离子产生相对位移示意图positivenegativeEP如果用i代表离子位移极化率；Pi代表离子位移的感应偶极矩；E代表电场强度。它们之间的关系为：EPiiEMqii22021离子位移极化的特点：•a)时间很短，在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；•b)属弹性极化，能量损耗很小。•c)离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大.固有偶极矩取向极化如果组成介质的分子具有固有偶极矩（称为有极分子），例如，水分子H2O，其中氧离子与二个氢离子不是在一条直线上，而是分布在三角形的三个顶点上。因此水分子的正负电荷中心不重合，存在固有偶极矩，如图所示。P当电场E=0时，介质中各分子的固有偶极矩的取向是无规则的，所以各偶极矩的矢量和为零，介质不存在极化。当电场E0时，在电场作用下，这些固有偶极矩将沿着电场方向排列，各偶极矩的矢量和不为零，介质产生极化。在离子位移极化和电子位移极化的情况，位移极化的产生是由于电场力与弹性力的共同作用下出现与电场方向平行的感应偶极矩。电场力的作用是使正负电荷中心分离，准弹性力的作用是使正负电荷中心重合，即准弹性力起着阻碍极化的作用。电场力与准弹性力是矛盾的两个方面。在取向极化的情况中，电场的作用是使分子的固有偶极矩转到沿电场的方向排列；而妨碍定向排列的阻力是介质中分子的热运动。或者说，电场的作用使固有偶极矩有序化，热运动的作用使固有偶极矩无序化，电场与热运动是矛盾的两个方面。为了强调位移极化与取向极化的差别，有时也称前者为与热运动无关的极化，后者为与热运动有关的极化。取向极化与位移极化的机制不同，因此处理方法也不同。要用热运动有关的规律来解决取向极化的问题。1.当电场E=0，热运动0时，介质中各分子的固有偶极矩完全无序化；2.电场E0，热运动=0（绝对零度）时，介质中各分子的固有偶极矩完全有序化；3.当电场E0，热运动0时，介质中各分子的固有偶极矩的排列介于上述两种情况之间。如果E愈大或温度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或温度愈低，有序化程度就愈低。有极分子的分布示意图因为当温度不等于绝对零度（即T0K）时，介质中各分子的热运动也不等于零，所以在一般电场作用下，介质中各分子的固有偶极矩是不能出现如图所示的完全有序化，这也表示当E=0，T0K时，各分子的固有偶极矩在电场方向上的分量各不相同,而固有偶极矩在电场方向上的分量才对介质的极化有贡献.计算结果,可得取向极化率orien为203orienBPkT式中为P0分子固有偶极矩，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。可以看出，取向极化率不同于位移极化率，取向极化率与温度有关，而位移极化率与温度无关。偶极子取向极化的特点：a)极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。b)形成极化所需时间较长，故ε与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其ε减小。c)温度对极性介质的ε有很大的影响。如果介质极化时存在上述三种极化机制，其中以取向极化的贡献最大。分子中存在固有偶极矩的概念的建立，不仅可以解释一些由有极分子组成的电介质具有较大的介电常数这一事实，而且对于电介质的了解和有关的分子结构知识都是有贡献的。20()3eiBPPNEkT松弛极化松弛质点：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。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。（1）离子松弛极化结构正常区缺陷区U松U’松U导电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，可以得到离子热弛豫极化率的大小为：式中：q为离子荷电量，δ为弱联系离子在电场作用下的迁移。由式可见，温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。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。kTqiT1222（2）电子松弛极化电子松弛极化：材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。松驰极化的特点：•松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。•松驰极化中质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。•松驰极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。空间电荷极化空间电荷极化：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，一般为高压式极化。----++++----++++----++++外电场P空间电荷极化的特点：①时间较长；②属非弹性极化，有能量损耗；③随温度的升高而下降；④主要存在于直流和低频下，高频时因空间电荷来不及移动，没有或很少有这种极化现象。•自发极化如果晶胞不仅结构上没有对称中心，而且在无外力作用时晶胞本身的正、负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周期性和重复性。晶胞的固有电矩便会沿着同一方向排列整齐，使晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化状态是在外场为零时自发地建立起来的，因此称为自发极化。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宏观极化强度与微观极化率外加电场E外E1外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。即极板上的所有电荷所产生）构成物体的所有质点电荷的电场之和E1（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）E宏=E外+E11.宏观电场：－++++－－－－++－－+－++++－－－2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－