《材料的介电性》PPT课件.ppt

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1、第二章材料的电学性能中国矿业大学材料科学与工程学院本章内容金属的导电性合金的导电性半导体的导电性材料的介电性材料的超导电性介电材料的应用领域绝缘材料：介电材料，又称电介质。第四节材料的介电性电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数电介质的应用1.电介质的定义与基本特征在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场的物质。物质电介质半导体导体是一类特殊的绝缘体。电介质导体高电场作用电介质的类型气体液体陶瓷玻璃离子晶体NaCl等H2，空气，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等电介质的特征从电场特性来看（a）导体中：内部电场为

2、零（平衡状态），电场终止于导体表面并与表面垂直。（b）在电介质中：内部存在电场，表面会产生束缚电荷。载流子：导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴；电介质的载流子主要为离子。在传导上，导体为自由电子，而电介质则以电极化。故对极化的研究是介质物理的主要任务。介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用。电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质的四大基本常数好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗。第四节材料的介电性

3、电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数电介质的应用-----+++++++++----+-插入电介质束缚电荷在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。2.电介质的极化与极化相关的物理量电偶极矩极化电荷（束缚电荷）电极化强度P——电介质极化程度的量度由极化而引起的宏观电荷电介质的极化机制电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子式极化、离子式极化、电偶极子转向极化和空间电荷极化等。电子极化和离子极化又都可分为位移极化和弛豫极化。极化电子式极化离子式极化电偶极子极化空间电荷极化位移极化弛豫极化位移极

4、化弛豫极化电介质极性材料非极性材料只有位移极化的电介质有转向极化的电介质根据极化类型对电介质进行分类微观上，根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；电偶极子转向极化。①电子位移极化与电子位移极化率在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-15—10-16s。E电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移感应偶极矩：平衡建立后-QQxa以电子云中心为参考点，核沿电场方向移动x，使核移动的电场力为核移动后，受到

5、电子云的库仑力为与温度无关-QQxa电偶极矩电子极化率：由电子产生的偶极矩与作用于该分子的电场强度之比。电子位移极化结论同族元素：由上到下增大；同周期元素：不定；电子位移极化率与温度无关；极化率为快极化：10-15–10-16s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：②离子位移极化和极化率离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介电常数n2因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic

6、polarization)。-q+qEK=?当位移不是很大时可将正负离子间的恢复力看成为准弹性力根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k值。E正负离子位移形成的偶极距离子极化率根据离子晶体的势能E(x)，可以得到k值。离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12–10-13秒。离子位移极化模型（一维）离子极化结论：③偶极子转向极化和极化率当极性分子受外电场作用时，偶极

7、子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。E每一偶极子的势能Boltzman统计分布极性分子固有极距极化建立时间：10-6–10-2秒，为慢极化。极化形式发生极化的电介质极化的频率范围和温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷介质中直流-光频无关没有离子位移极化离子结构介质直流-红外温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷、高价金属氧化物基陶瓷直流-超高频随温度变化有

8、极大值有转向极化有机材料