第五章 材料的介电性能ppt课件.ppt

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1、第五章材料的介电性能电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，这样就决定了金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。然而，在电介质体内，一般情况下，只具有被束缚的电荷，在电场的作用下将不能以传导的方式而只是以感应的方式，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，在工程应用中，常在需要将电路中具有不

2、同电位的导体彼此隔开的地方使用，就是利用介质的绝缘特性，也就是应用材料的介电性能。这一类材料总称为电介质。比较常见的介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料，但两者是有区别的，好的介电材料一定是好的绝缘材料，但好的绝缘材料就不一定是好的介电材料了。电介质的分类（1）按物质组成特性：无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等）有机电介质（如矿物油、纸、有机高分子聚合物等）（2）按物质的聚集态：气体介质（空气）液体介质（电容器油）固体介质（涤纶薄膜）（3）按物质原子排列的有序化：晶体电介质（石英晶体

3、）－长程有序非晶态电介质（玻璃塑料）－短程有序（4）工程应用：极性电介质（纤维素、聚氯乙烯薄膜）中性电介质（变压器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均匀度：均匀电介质（聚苯乙烯）非均匀电介质（电容器纸－聚苯乙烯薄膜复合介质）分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一在某一种物质共同属性的基础之上，以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、组成之间相互关联的规律。电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。（1）介电常数（电极化）—指以电极化方式传递、存储或记录电的作用。（2）电导—指电介质在电场作用下存在泄漏电

4、流。（3）介电损耗—指电介质在电场作用下存在电能的损耗。（4）击穿—指在强电场下可能导致电介质的破坏。四个基本特性各有其基本理论。电介质理论包括：（1）电极化响应理论（2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论（3）唯象理论：（用电介质的特征函数描述）从物理学的角度论述与介电有关的各种效应，建立统一的唯象理论—热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间的关系）（4）微观理论：主要介绍晶格振动和声子统计方面的知识。（5）铁电理论：在下一章中讲。电极化响应理论包括：（a）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机制；（b）洛伦兹的

5、有效场；（c）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）；（d）介电驰豫；（e）谐振吸收和色散；（f）电极化的非线性效应等。电介质的极化有3种主要基本过程：（极化的机制）（1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化（电子位移极化）；（2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化（离子位移极化）；（3）分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。1、电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化。在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正

6、负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。在电场作用下，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），中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图5.1所示。图5.1电子云位移极化示意图(a)E=0(b)E≠0电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：（1）形成极化所需时间极短（因电子质量极小），约10-15s，故其不随频率变化；（2）具有弹性，撤去外场正负电荷中心重合，没有能量损耗；（3）温度对其影响不大，温度升高，略为下降，具有不大的负温度

7、系数。2、离子位移极化在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。但这些离子，在电场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。这就是离子位移的极化。也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。图5.2所示是位移极化的简化模型。图5.2离子极化示意图离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：（1）形成极化所需的

8、时间极短，约10-13s，故一般可以认为与频率无关；（2）属弹性极化，几乎没有能量损耗；（3）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，故一般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有增强的趋势。3、固有电矩的转向极化电介质中的电偶极子的产生有两种机制：一是产生于“感应电矩