武汉理工-材料物理学课件16

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第六章 电介质物理 本章提要本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究,着重介绍如下内容:电介质的极化响应;电介质中的电荷转移,电介质的电导、损耗及击穿特性;复介电常数和介电谱的实验研究,以进一步了解电介质的最基本的物理性质——介电性,以及进而了解电介质的分子结构和极化机理。 第六章 电介质物理 6.1概述 2个学时6.2静电场中的电介质行为6.3变动电场中电介质行为及介质损耗 极化弛豫6.4 2个学时6.5动态介电系数 个学时6.6固体电介质的电导与击穿 26.7复介电常数和介电谱的实验研究 2个学时6.1概述 一、电介质的概念及特点 二、电介质的分类 三、电介质的四大基本常数 四、电介质的理论 一、电介质的概念及特点 ? 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 ? 电介质具有极化能力和其中能够长期 存在电场的性质是电介质的基本属性 ? 电介质体内一般没有自由电荷,具有 良好的绝缘性能 ? 电介质又可称为绝缘材料(insulating material)或绝缘体(insulator) 二、电介质的分类分类原则 分类物质组成特性 无机电介质和有机电介 质物质的聚集态 气体介质、液体介质及 固体介质物质原子排列的有序化 晶体电介质和非晶态电 介质组成分子的电荷的空间 极性电介质和中性电介分布 质介质组成成分的均匀度 均匀介质和非均匀介质 三、电介质的四大基本常数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 击穿是指在强电场下可能导致电介质的破坏 四、电介质的理论 包括介质的电极化响应理论,电介质中的 电荷转移、电导和电击穿理论,电介质的 唯象理论,电介质的微观理论和铁电理论 介质的电极化响应理论(1)恒定电场中电介质的电极化,电极化的微观机构(2)洛伦兹的有效场(3)变动电场中电介质的行为(即介电损耗)(4)介电弛豫(5)谐振吸收和色散(6)电极化的非线性效应等。6.2静电场中的电介质行为 电介质材料的介电特性材料介电特性源自在电场作用下电子、原子、离子的位移。显然材料不同的结构,这些位移以及由此而引起的介电性质也不相同。特别在晶体材料中由于晶体不同的对称性使电场—位移之间从而使晶体介电性质也表现为时空特性。为了弄清这些关系,我们先将材料的介电特性作简单的介绍。 6.2.1电介质材料的静态介电常数 在电场作用下,电介质是以正负电荷重心 不重合的电极化方式来传递并记录电影响 的。 从微观上看.电极化是由于组成介质的原 子(或离子)中的电子壳层在电场作用下发生 畸变,以及由于正负离子的相对位移而出 现感应电矩。此外还可能是由于分子(或原 胞)中不对称性所引起的固有电矩,在外电 场作用下,趋于转至和场平行方向而发生 的。图6.1电介质电极化产生感应电荷 真空时 D =ε0E0 当两板间充以均匀电介质时,D = ε0εs E 令P代表介质的电极化强度。亦即介质表面的面电荷密度或介质中单位体积的电矩, 则D =ε0E+P 宏观静态介电系数εs与内部电极化P的关系 P =ε0(εs -1)E 分子极化 分子的极化可以归结为三个来源。 (一)电子的位移极化 (二)离子的位移极化 (三)固有电矩的转向极化 6.2.1.1电子的位移极化由于电场的作用,构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变,使电子云与原子核发生相对位移,在电场和恢复力的作用下,原子具有了一定的电偶极矩,这种电极化常被称为电子的位移极化Pe 一般情况下,这感应电矩μe 与所用的局部有效电场E成正比 μe=αe E αe为电子极化率 以最简单的氢原子来说,量子力学的计算得出 9 3 αe = 2 r αe = 其中r代表电子轨道半径。因为氢原子轨道半径 -8 -30约为0.5×10 cm,故αe为0.56×10 。 当电子轨道半径增大时,电子极化率很快地 增加。 当原子轨道上的电子增多时,由于每一电子在电场作用下都要产生位移,使得总的极化率增大。价电子受核的束缚比较弱,因而位移极化比较大。? 在元素周期表中,对于同一族元素的原子,电子极化率随着原子αe = 在表中的位置自上而下地增大。? 在同一周期中的元素,随着其位置由左向右时.原子中的电子极化率则可以增大亦可以减少。这是因为虽然轨道上电子数增多,但轨道半径却可能减少,故结果要看哪个效应占优势而定。 电子极化很重要,通常负离子的电子位移极化远大于正离子,O2- 的电子极化率很大,故许多含O2- 的物质都具有较大的介电系数。 极化强度为单位体积的电矩。极化的大小不仅决定于粒子的感应电矩。而且决定于单位 3体积的粒子数。因此,凡αe/r 较大的粒子对极化就有较大的贡献。有些离子,如O2-, 4+ 3+ 2- 4+ 3C ,B ,S ,Ti 等的 αe/r 具有特别大的值。6.2.1.2离子的位移极化两个离子的位移极化率为 3 ? R0 a? n ?1可以近似地认为,两离子中心间的距离Ro等于它们的离子半径R1和R2之和,即 ? ? ?3 ? R1 R2 ? a n ?1有极分子的离子位移极化率和离子半径的立方应具有相同的数量级,亦即在数量级上接近离子的电子极化率αe。在无极分子中,离子位移极化率很小,因而电子极化率αe是主要的。 6.2.1.3固有电矩的转向极化 若分子具有固有电矩,而在外电场作用下,电矩的转向所产生的电极化,称为转向极化Pd 。 许多电介质,例如一些有极性的液体,具有较大的介电常数,这是与其中存在固有电矩有关的。如果分子只有固有电矩,则在外电场作用下,它们将趋于转到与外场平行的方向,使介质的极化强度增大。特别重要的是,由于固有电矩间的相互作用具有长程的性质.一个分子的转向会带动周围许多分子的转向。这样,会使得介电常数具有较大的数值。 分子中固有电矩的存在,是由于分子结构上的不对称性。例如水和氯化氢都只有固有电矩,前者是由于H2O分子并非直线结构(两个OH链间夹角约为1050),后者则由于电荷在原子周围分布的不均衡而在氢的一端具有较多的正电荷,在氯一端具有较多的负电荷所致。研究固有电矩和它们在外电场作用下的转向,可以提供关于介质微观结构的信息。 下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向,从 而 求 出 其 极 化 率 α d , 在 这 里 的 初 步 考 虑中.将忽略固有电矩的相互作用,实际上这只适用于稀疏情况下的气体。 气体包含大量相同的分子,而每个分子的出有电矩为μ。在没有外电场作用时.由于热运动.这些电偶极子的排列是完全无规则的,因而就整个气体来看,并不具有电矩,当加上外电场ξ后,每个电矩都受到力矩的作用,趋于同外场平行,即起于有序化,另一方面热运动使电矩无序化。可见同时存在有序化和无序化相矛盾的两个方面。在一定的温度和一定的外场ξ下.两方面的作用达到暂时的互相平衡。 固有电矩μ在外电场ξ中的势能为 ? ? ? E ? ?u ?? cos? θ为μ和ξ间的夹角。按玻尔兹曼统计,电矩μ和电场ξ的夹角介于θ和θ十dθ之间的几率正比于 ? ?? cos? ? 2???d? ? exp? ? ? T ? ? K B ?因此沿电场方向的平均电矩为 ? ? ?E cos? ? ? cos? sin? exp? ?d? ?0 ? ? ? B T ? ?cos? ? K ? ? ?E cos? ? ? sin? exp? ?d? ?0 ? T ? ? K B ?热运动的无序化作用占相当优势的情况下,μE<<KBT 固有电矩的转向极化率αd为 ? 2 ? ? d 3 T K B 6.2.2洛伦兹的有效场模型对于最简单情形,不考虑粒子的电矩之间相互作用,则促使粒子极化的电场就是宏观的外加电场。这样,介质的静电极化强度P就是上面所考虑的三部分极化强度之和,即 ? ? 2 ? P ? N?2e ? 2a ? ?E ? 3K BT ? 式中N是单位体积中的分子数.2e是分子中的 电子极化率,2α是分子中的离子位移极化率 。 宏观的介质常数εs: 4?P ? ? 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? s 1 4 N?2e 2a ? E ? 3K BT ? 对于稀疏气体,分子间的相互作用可以近似地忽略,气体介电常数同实验结果符合得相当好。 液体和固体是凝聚态,分子(或原胞)间的相互作用很强.不能忽略。于是作用在分子或原子(或离子)上的电场就不单单是外加的宏观电场,还应加上其他的分子或原子(离子)极化所产生的电场。作用在分子或原子处的总
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