最新无机材料化学第9讲教学讲义ppt.ppt

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1、无机材料化学第9讲（1）电子极化所有电介质材料均由原子或离子组成，而它们又是由原子核及核外电子云组成，所以电子极化存在于所有的固体中。在某些固体中，如金刚石，由于没有离子、偶极及空间电荷极化，电子极化是唯一的形式。对多数电介质来说，电子极化产生的极化强度比其它极化方式要小的多。电介质在外电场中极化的微观机制(极化方式):在外电场作用下原子中带负电荷的电子云相对于带正电的核发生微小位移，使正、负电荷中心分离，产生电偶极矩。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

2、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。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

3、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

4、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，ε

5、r，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

6、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。这种由电作用而产生机械运动的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。如：石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。压电晶体产生压电效应的原因正压电效应的表现是晶体受力后在特定表面上产生束缚电荷。石英晶体产生压

7、电效应的机理晶体不受外力作用时，正、负电荷重心重合，整个晶体的总电偶极矩为零，晶体表面的电荷亦为零。当沿某一方向上施以机械力时,晶体就会由于形变改变离子的相对位置，导致正、负电荷重心分离（产生极化），产生净电偶极矩，同时引起表面荷电。受压缩力与拉伸力时所引起晶体表面带电的符号正好相反。石英晶体产生压电效应示意图正压电效应：机械力→质点位置变化→正负电重心分离→产生净电偶极矩→表面荷电逆压电效应：电场作用→引起极化→正负电重心分离→质点位置变化→