文档介绍：第三章材料的介电性能
主讲:胡木林
2011年03月
《材料物理性能》
在人类对电认识和应用的开始阶段,电介质材料就问世了。然而,当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能,以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要,围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究,并总是以绝缘体的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为其主要内容。
随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技术的出现和发展,电介质已远不是仅作绝缘材料来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同。
引言
《材料物理性能》——材料的介电性能
以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研究物质内部电极化过程。
固态电介质分布很广,而且往往具有许多可供利用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等,从而引起了广泛的研究。实际上,这些性质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子)以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在,固态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭的领域。特别是在激光出现以后,研究晶态电介质与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学。
《材料物理性能》——材料的介电性能
电介质及其极化
电介质
在电学理论中,给出电容的定义为:
对于真空平板电容器有:
当平板之间插入一种材料后,平板电容器的电容增加为C:
该材料称为介电材料,属于电介质。
电介质——在电场作用下能建立极化的物质。
《材料物理性能》——材料的介电性能
《材料物理性能》——材料的介电性能
平板电容器中的电介质,在外电场作用下,在正极板附近的介质表面感应出负电荷,负极板附近的介质表面感应出正电荷。这些感应电荷称为束缚电荷。
极化——在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。
常用的电介质有,陶瓷、玻璃和聚合物等。工作电场的频率对一些电介质的介电常数有影响,特别是陶瓷类电介质。
极化相关物理量
电偶极矩:
极化电荷:
电极化强度P——电介质极化程度的量度;
《材料物理性能》——材料的介电性能
《材料物理性能》——材料的介电性能
假设每个分子电荷的表面积为A,则电荷占有的体积为lA,且单位体积内有Nm个分子,则单位体积有电量为Nmq,那么,在lA的体积中的电量为NmqlA,则表面电荷密度为:
高斯定理:
电介质极化机制
电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度,实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子的极化、离子的极化、电偶极子取向极化和空间电荷极化等。电子极化和离子极化又都可分为位移极化和弛豫极化。
位移极化
电子位移极化——外电场作用下,原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移而引起的极化。
由于电子很轻,对电场的反应很快,可以光频跟随外场变化。
采用玻尔原子模型来分析电子位移极化率。模型假设一点电荷(-q)沿绕核电荷(+q)的一个圆周轨道运行。在电场作用下,电子轨道反电场方向移动一段小距离d,因此形成一感应偶圾矩:
《材料物理性能》——材料的介电性能
当电场力与恢复力平衡时,
所以,
《材料物理性能》——材料的介电性能
由右图圆周轨道模型可见,恢复力等于电子与原子核之间的库仑引力在电场方向的分量,
《材料物理性能》——材料的介电性能
当我们考察同类原子的一个集合体时,则所有原子的电子轨道是随机取向的,电子轨道的平面并不都垂直于电场方向。那么,某一原子在电子轨道平面的法线n的感应偶极矩为:
在电场方向上的感应偶极矩为:
同类原子集合体在电场方向的平面感应偶极矩为
在电场作用下,位移d<<r时,