第7章 无机材料的介电性能

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1、6.1概论电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。无机材料与有机塑料比较：有机塑料:便宜、易制成更精确的尺寸；无机材料:具有优良的电性能;室温时在应力作用下，无蠕变或形变;

2、有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，塑料常会氧化、气化或分解）;能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可缺少的部分。真空－++++－－－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6.2.1极化现象及其物理量6.2介质的极化电极化：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

3、有限范围内短程移动，形成一个偶极子。2.物理量电偶极矩：=ql（单位：库仑·米）电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致。质点的极化率：=/Eloc，表征材料的极化能力。局部电场Eloc：作用在微观质点上的局部电场。介质的极化强度P：P=/V单位介质体积内的电偶极矩总和。或束缚电荷的面密度。±-q+qlE偶极子－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－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

4、=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，抵消（中和）了这部分电荷的作用，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

5、=(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+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）6.2.2克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E外E1外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。即极板上的所有电荷所产

6、生）构成物体的所有质点电荷的电场之和E1（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）E宏=E外+E11.宏观电场：－++++－－－－++－－+－++++－－－2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）

7、E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：由P=Q1/A=oE1得：E1=P/oE1的计算：假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用E1＋E2和球内介质的作用E3洛伦兹场E2的计算：rO+－Pdrsin空腔表面上的电荷密度：－Pcos黑环所对应的微小环球