第六章铁电性能和压电性能_材料物理ppt课件.ppt

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1、第六章材料的介电性能几个基本概念1.电介质：指在电场作用下，能建立极化的一切物质。2.感应电荷：当在一个真空平行板电容器的电极板间嵌入一块电介质时，如果在电极之间施加外电场，则可发现在介质表面上感应出了电荷，即正极板附近的介质表面上感应出了负电荷，负极板附近的介质表面上感应出正电荷，这种表面电荷称为感应电荷，也称束缚电荷。11)真空电容器如图所示：如果在一真空平行板电容器上加以直流电压V，在两个极板上将产生一定量的电荷Q0，这个真空电容器的电容为：C0=Q0/V223.电介质的极化：电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为

2、电介质的极化。4.介电参数：电容C0与所加电压的大小无关，而决定于电容器的几何尺寸。若为真空平行板电容器，则C0式中A为面积，d为板极间距，ε0是真空介电常数ε0=8.85×10-12F／m(法拉/米)。2)介质电容器在电容器两极板间填入电介质，即为介质电容器。式中ε是电介质的介电常数，εr称相对介电常数。3)相对介电常数εrεr反映了电介质极化的能力。3第一节介质的极化一、极化及极化参数介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化。1.极化:介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子的过程。2.电偶极距

3、（偶极距）:设正电荷与负电荷的位移矢量为l，则定义偶极子的电偶极距为μ=ql规定其方向从负电荷指向正电荷，即电偶极矩的方向与外电场E的方向一致。如果介质中含有极性分子，则这些极性分子都可看作偶极子。43.极化率α:单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点的极化率（6.1）式中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场，（即原子、离子、分子上的有效内电场）；极化率α表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单位：法拉·米2，即F·m2。4.极化强度P：介质单位体积内的电偶极矩总和P为介质的极化强度（6.2）单位为[库仑/米2](

4、即C/m2)。极化强度表示了电介质极化而引起的电容器表面电荷密度的增加。55.标量形式的极化强度P:如果每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则P=μn=nαEloc(6.3)式中，n为介质单位体积中的极化质点数，μ为各质点的平均偶极矩。6.电介质极化系数χ对于一定材料而言，n和α一定，则P与E（宏观电场）成正比：P=ε0χE式中χ（kai）称为电介质极化系数，它将介质的宏观电场E和宏观物理量P联系起来。（6.4）6二、克劳修斯-莫索蒂方程：介电常数和极化率的关系1．宏观电场E由右图可看出，在介质电容器中，总电荷Q0中只有一部分

5、是自由电荷，它建立一个指向外部的电场和电压。其余是束缚电荷，它们的外电场都被电介质的极化所抵消。所以极化强度P造成的电场可以认为是表面束缚电荷引起的。71）介质宏观电场的来源：一是外加电场E外(由物体外部固定的电荷，即图中的自由电荷所产生的电场)；二是构成物体的所有质点电荷的电场之和E1。2）退极化场E1：由均匀极化所产生的电场E1，称之为退极化场。大小等于分布在物体表面上的束缚电荷在真空中产生的电场，方向和外加电场E外方向相反，见上图或图6.2。所以一个椭圆形的极化分子在外电场作用下能产生的均匀的极化强度和均匀的退极化场。

6、3）宏观电场E：E=E外+E1（6.5）82．原子位置上的局部电场Eloc1）局部电场的来源：一是外加电场E外；二是晶体中其它原子所产生的电场。2）晶体中其它原子所产生的电场当一个特定的分子被想像的足够大的球体所包围，见图6.3，该圆球半径比原子间距大很多；球外电介质可作为连续均匀介质；球内也为均匀的，则宏观电场对球内各点作用一样。如果把球体从固体中切割出来，球外的极化强度P保持不变。那么，作用于圆球中心处的特定分子的电场（局部电场）由四部分组成：①由电极板上的自由电荷产生的E外；②整个外边界表面极化电荷作用场E1（退极化场

7、）；9③空球表面极化电荷作用场E2（洛仑兹场）；④圆球内的分子对电场的贡献E3。即：其中，球外介质的作用：空球表面极化电荷作用场(E2)和整个介质外边界表面极化电荷作用场(E1)之和，球内介质的作用：只考虑原点附近偶极子的影响即E3，如图6.3所示。（6.6）103.洛伦兹场E2：1）计算E2可由圆球空腔壁整个表面积分而得的极化强度矢量的法线分量决定。如图6.4。可求得整个空腔球面上的电荷在O点产生的洛伦兹场E2为：（6.7)2)洛伦兹关系:式（6.5）中的E3是唯一由晶体结构决定的一项。已经证明，对于球体中具有立方对称的参

8、考位置，如果所有原子都可以用彼此平等的点型偶极子来代替，则E3=0，所以：（6.8）这就是洛伦兹关系。E即为宏观电场。114．克劳修斯—莫索蒂方程设总电通量密度为D（单位：库仑/m2），其数值为电场E和偶极子电场P之和：D=P+ε0E=εE代入式（6.8），得（6.9）(6.10)将即：因