无机材料化学第9讲讲课讲稿.ppt

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1、无机材料化学第9讲离子晶体中正、负离子在外电场作用下发生相对位移，使离子间的键合被拉长，电偶极矩增加。不加电场时，正、负离子间隔均等。加外电场时，正、负离子相对距离发生变化。晶体内部变化相互抵消，表面处正、负离子间距变化导致偶极矩变化。钙钛矿型化合物中，中心钛离子在外电场作用下可偏离中心位置，使正负电荷中心不重合（分离）产生极化。（2）离子极化离子极化是大多数离子晶体的主要极化机制。（3）偶极极化电介质中的固有偶极矩在外电场作用下沿外电场方向有序化排列，使电偶极矩增加。由极性分子构成的电介质，极性分子具有固有偶极矩，未加电场时，分子热运动使固有偶极矩排列杂乱无章，

2、宏观上不呈极性。在外电场中，它们转向外电场方向，表现出宏观极化现象，其矢量和不再为零。偶极极化也叫转向极化，它是极性电介质的一种主要极化方式。（4）空间电荷极化在实际的电介质材料中，由于制造工艺和纯度的原因，不可避免地有局部的不均匀性。在外电场作用下，介质中的少量载流子(自由电荷)会发生漂移，它们可能被势阱（如空位、位错、晶界等缺陷）捕获，也可能在介质不均匀的夹层处堆积起来形成空间电荷的积累，这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布（从而产生电偶极矩）即是空间电荷极化。常发生在不均匀介质中。空间电荷极化可概括表述为：存在于电介质中的少量自由电荷(间隙离子、空位或

3、电子等)受电场作用集聚于晶界、相界、异种物质边界及晶格畸变等缺陷处而产生的电极化。电解质极化不是瞬间完成的，极化完成所需时间称为松弛时间。按电子极化、离子极化、偶极极化、空间电荷极化的顺序，松弛时间逐渐增大。以上四种极化机制，某些材料可能全部具有，有些材料可能仅有其中的部分极化形式，这取决于电介质材料的性质和制备工艺。2.极化强度和极化电荷为了表征电介质的极化情况，通常引入极化强度的概念，定义为：电介质单位体积内电偶极矩的矢量和。P=i/△V对于由极性分子构成的电介质，虽然单个分子偶极矩不等于零，但在通常情况下，由于热运动使各个偶极矩取向完全杂乱，单位体积内偶极矩

4、矢量和为零，对外不显示出宏观电荷。置于外电场中极化后，电介质内部单位体积内的净电荷及极化强度为零，但在电介质表面出现宏观电荷(对于电子极化和离子极化，情况完全相似)，这些电荷称为极化电荷。电子极化离子极化极化电荷是束缚在分子、原子或离子内的，不能远离其所属的分子、原子或离子，所以又称束缚电荷，而一般导体所带的电荷，可以在导体内自由运动，所以称自由电荷。电介质极化后内部极化电荷为零，所以，极化强度直接与表面极化电荷有关，极化强度等于极化电荷的面密度。极化电荷：电介质在外电场中极化后，在垂直于外电场的表面上出现的电荷。对平板真空电容器，极板面积为A，极板间距为d,当接

5、上电源充电至极板间电压为V，极板上产生的电荷为Q0,Q0与V成正比，Q0=C0V，C0为比例系数，称真空电容。当在真空电容中插入电介质后，由于电介质材料发生极化，在相同的电压V下，电容器极板上储存的电荷量增加了Q1,总量为Q0+Q1，则：Q0+Q1=CV，C为置入电介质后平板电容器的电容。Q0+Q1极化电荷激发电场使极板间电场改变，极板上的电荷发生变化。εr=，C=εrC0上式表明，电介质的介电常数εr越大，相应的电容就越大。真空中εr=1，电介质的εr则都大于1。大多数离子型固体的εr在5~10。真空电容器中插入电介质后，极板上电荷增量Q1，应与电介质极化的束缚

6、电荷数相当。极化强度P=式中，Q1为电介质表面的束缚电荷，d为正、负束缚电荷间距；Q1d可看成总电偶极矩，V为体积。上式表明：束缚电荷面密度即极化强度。C与C0的比值称为相对介电常数，εr，即：电介质材料主要用于制造电容器，对其要求是：介电常数εr尽可能大，而介质损耗尽量小。介质损耗：指电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量。介质损耗包括：漏导损耗　漏导电流使介质发热而消耗的能量。极化损耗　电介质极化所消耗的能量。介质损耗与材料的内部结构密切相关：结构紧密、化学键强的材料，介质损耗小；结构不紧密、有缺陷的材料介质损耗大。3.2.4压电性（效应）在石英晶体

7、X、Y轴方向上施加机械应力（拉力或压力）时，在力方向的垂直平面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷，且在一定范围内电荷面密度与作用力成正比，作用力反向时，表面荷电性质也反号。这种现象称之为压电效应。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。压电效应是一种机械能与电能互换的现象正压电效应：当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面会产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。这种由机械力作用而产生电的效应称为正压电效应。若将外力去掉，带电状态消失逆压电效应：晶体在外电场作用下，某些方向上会产生形变（伸长、缩短）现象，且形变与电场强度成线性关系。这种

8、由电作用而