武汉理工-材料物理学课件16

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1、第六章电介质物理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。本章提要第六章电介质物理6.1概述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6.4极化弛豫6.5动态介电系数6.6固体电介质的电导与击穿6.7复介电常数和介电谱的实验研究2个学时2个学时2个学时2个学时一、电介质的概念及特点二、电介质的分类

2、三、电介质的四大基本常数四、电介质的理论6.1概述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（insulatingmaterial）或绝缘体（insulator）一、电介质的概念及特点二、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分布极性电介质和中性

3、电介质介质组成成分的均匀度均匀介质和非均匀介质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三、电介质的四大基本常数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四、电介质的理论（6）电极化的非线性效应等。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、4）介电弛豫（5）谐振吸收和色散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。电介质材料的介电特性6.2静电场中的电介质行为在电场作用下，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

5、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。6.2.1电介质材料的静态介电常数图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=ε0εsE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+PP=ε0（εs-1）E宏观静态介电系数εs与内部电极化P的关系分子极化(三)固有电矩的转向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6.2.1.1电子的位移极化

6、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=αeEαe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其中r代表电子轨道半径。因为氢原子轨道半径约为0．5×10-8cm，故αe为0．56×10-30。αe=αe=αe=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

7、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。αe=αe=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。而且决定于单位体积的

8、粒子数。因此，凡αe/r3较大的粒子对极化就有较大的贡献。有些离子，如O2-，C4+，B3+，S2-，Ti4+等的αe/r3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