介电材料物理ppt课件.ppt

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1、第五章材料的介电性能（一）基本概念介电材料定义具有介电常数的物质——电介质介电常数：在电场的作用下，能建立极化的物质，产生的感应电荷，不会形成漏导电流。（即极化感应电荷被束缚，也称束缚电荷）对于真空平板电容器，电容C0A为面积，d为极板间距，0真空介电常数：8.85×10－12F/m（法/米）在平板电容器嵌入电介质，电容C其中：为电介质的介电常数r为相对（真空的）介电常数上述两式可以得出：为电介质极化能力的参数介电性能：电介质的极化介质的损耗介电强度定义：一、极化现象及其物理量偶极子的产生（在电场的作用下，正负电荷重心的分离）电偶极矩的定义：－q+q方向为从负

2、电荷指向正电荷介质中的极性分子可看作偶极子(在电场的作用下极性分子发生转向)极化率（）：单位电场强度下，质点的电偶极矩的大小。E介质极化其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场（它与宏观外电场并不一定相同）。表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单位为F·m2（法·米2）介质的极化强度（P）：单位体积内的电偶极矩的总和介质的极化强度（P）与E为宏观物理量（电场强度），x为电介质极化系数相联系。二、克劳修斯-莫索蒂方程宏观电场EE=E外+E内原子位置上的局部电场E克劳修斯-莫索蒂方程建立了宏观量与微观量之间的关系：对于两种以上极化质点的介质：单个质点极化

3、率和介电常数获得高的介电常数的途径：1）质点，2）单位体积质点的数目三、介质极化介质的极化（包括三个部分）电子极化离子极化偶极子转向极化极化形式（两种）位移极化是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量电子位移极化、离子位移极化松弛极化这种极化与热运动有关完成这种极化需要一定的时间并且是非弹性的，因而消耗一定的能量电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型1.位移极化电子位移极化的定义在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化电子位移极化的性质具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中所表现出来的特性设想一个质量为m，带电为-e的粒子，为一带正电+e的中心所

4、束缚，弹性恢复力为-kx。这里k是弹性回复系数，x表示粒子的位移。我们考虑它在交变电场下运动，电场用复数表示：Eloc＝Eoeix电荷的运动方程m2x/t2=-kx－eEoeiwx电子位移极化电子的极化率静态极化率电子极化率的大小与原子（离子）半径有关若考虑同类原子的集合，它们所有轨道是随机取向电子极化率的量子理论（略）根据量子力学，极化率的计算是非常复杂的对于少数简单离子（具有完整电子壳层的原子）已能用量子力学方法计算极化率。已计算出氢原子电子极化率为7.52X10-41法·米2离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩与电

5、子位移极化类似，在电场中离子的位移，仍然受到弹性恢复力的限制离子位移极化和电子位移极化的表达式一样，都具有弹性偶极子的极化性质离子位移极化建立的时间约为10-12~10-13秒静态极化率以NaCl为例：k=(n-1)q2/40a3,式中a为晶格常数，n为电子层斥力指数，对离子晶体n＝7～11。可计算出其极化率的数量级为10－40法·米22.松弛极化热松弛极化极化是电场作用造成，它还与质点的热运动有关当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点安电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化；这种极化具有统计性质

6、松弛极化离子松弛极化（离子松弛极化随频率变化，一般松弛时间长达10-2~10-5秒。）电子松弛极化（电子松弛极化建立的时间约为10-2~10-9秒）介电常数随频率的升高而降低（电子、离子）松弛极化在M(G)Hz的无线电频率下，其松弛极化来不及建立；频率升高，无松弛极化；只存在（电子、离子）位移极化3.转向极化转向极化主要发生在极性分子介质中具有恒定偶极矩的分子称为极性分子无外加电场时，这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的，因此就介质整体来看，偶极矩等于零当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致热运动抵抗这种趋势，所以体系最后建立一个新

7、的统计平衡在这种状态下，沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子的数目多，所以介质整体出现宏观偶极矩。转向极化一般需要较长时间，约为10-2~10-10秒4.空间电荷极化空间电荷极化定义在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起体系内各点离子密度变化，即出现电偶极矩空间电荷极化常常发生在不均匀介质中实际上晶界、相界、晶格畸变、杂质等缺陷区都可以成为自由电荷（间隙离子、空位、等）运动的障碍；在这些障碍处，自由电荷积聚，形成空间电荷极化，所以又称界面极化宏观不均匀性，可形成空间电荷极化由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外电场方向相反的电场；因