lec4-材料的介电性能ppt课件.ppt

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1、材料的介电性能DielectricPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院1.以电荷长程迁移即传导的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导电材料；。材料对外电场作用的响应2.以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质；这种现象称为电介质的极化。。极化电偶极子与电偶极矩电偶极子（electricdipole）——两个相距很近的等量异号点电荷+q与-q所组成的带电系统。电偶极矩（electricdipole

2、moment）——电偶极子中的一个电荷的电量与轴线的乘积，简称电矩。LqP→→=电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。绝缘体≠电介质将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律:J=σE，其中J为电流密度，E电场强度，而σ为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质的电荷传输特性或曰电荷长程迁移特性。物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程

3、运动与位移称为极化(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生电偶极矩。而以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质。显然，电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。介电响应可用如下方程描述：D=εε0E或P=χε0E，其中，D为电位移、P为极化强度、ε0为真空电容率、ε为相对介电常数、χ为宏观极化率，ε与χ均为二阶对称张量。由于ε=1+χ，用相对介电常数与宏观极化率描述介电性质是等价的。介电常数的物理

4、意义可以理解为电介质在极化过程中储存电荷能力之度量。传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。真空

5、－++++－－－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及其物理量在外电场中，电介质表面出现的束缚电荷叫做极化电荷。电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成

6、一个偶极子。2.物理量－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－单位板面上束缚电荷的数值(极化电荷密度）可以用单位体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号电荷Q乘以间距d，则：P=N/V=Qd/V=Q/A－++－－+P－Q+Q3介质的极化强度与宏观可测量之间的关系两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比：Qo=CoV两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1，有：Qo+Q1=CV相对介电常数r：介电质引起电容量增加的

7、比例。r=C/Co=(Qo+Q1)/Qo电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，在同一电压下，增加了电容量。结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸可减小。极板上自由电荷密度：Qo/A=CoV/A=(oA/d)V/A=oE（E----两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场）介电材料存在时极板上电荷密度D:等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和：由：r=(Qo+Q1)/Qo得：rQo/A=(Qo

8、+Q1)/A有：roE=(Qo+Q1)/A=DD=oE+P=orE=1E(l---绝对介电常数）P=(1－o)E=o(r-1)E电介质的电极化率e：束缚电荷和自由电荷的比例：e=P/oE=(r-1)得：P=oeE（作用物理量与感应物理量间的关系）极化状态的描述--电极化强度矢量在没有外电场时，电介质未被极化，内部宏观小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场