文档介绍：电工材料及应用
臧春艳
Chap 5 电介质与绝缘材料
绝缘材料是指电导率较低(一般在10-9~10-10 s/m之间),用来限制电流使其按一定途径流动的材料(如在电机,变压器,电器,电缆中的绝缘);另外,还有利用其”介电”特性建立电场以贮存电能的材料(如电容器).
,故两者经常通用.
电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘体和某些处于特殊状态下的半导体(如载流子耗尽状态下的半导体)
材料的介电性能是电介质的主要特征,它以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和效应。电极化中的电荷主要指那些束缚在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部区域内的束缚电荷。
本章介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能,并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。
各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表现出不同的电极化行为,并进行决定着电介质材料的各种性能。
§0 电介质分类
电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为:
中性电介质
偶极电介质
离子型电介质
§1 介质极化的基本概念
().在分子物理中,常用德拜(D)为单位,1D等于10-18cgs(静电单位),×10-。,.
一、定义及有关物理量
1、电偶极矩:由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统,称为偶极子,偶极子的大小和方向常用电偶极矩μ来表示(方向由负电荷指向正电荷)
2、极化强度:单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度,用P表示
在电介质中,由电磁学理论有
3、电介质的极化率χ和相对介电常数ε
(库/米2)
其中
因此,在描述物质的介电性质时,使用相对介电常数ε和宏观极化率χ在物理上等价的。
二、电极化的微观机构
由物质的组成可以知道,物质的宏观电极化是组成物质的微观粒子在外电场作用下发生微观电极化的结果,通常,微观粒子在外电场作用下而产生的电矩与场强存在如下关系:
式中α称为微观极化率。粒子的微观极化率可能来自多种原因,一般情况包括电子云位移极化(其极化率用αe表示)、离子位移极化(其极化率用αi表示)、偶极子转向极化(其极化率用αd表示)等
1、电子云位移极化:没有受电场作用时,组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合,对外呈中性。受电场作用时,正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程),中性分子则转化为偶极子,这种过程就是电子云位移极化。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。
(1)电子云位移极化率:理论计算值取决于所采用的粒子模型,由点状核球状负电壳体模型或圆周轨道模型(玻尔模型)计算出的电子极化率为:
(2)电子云位移极化的特点:
a)形成极化所需时间极短(因电子质量极小),约为10-15s,在一般频率范围内,可以认为ε与频率无关;

b)具有弹性,当外电场去掉时,作用中心又马上会重合而整个呈现非极性,故电子式极化没有能量损耗。
c)温度对电子式极化影响不大。
在数量级上上述各种情况均相同,其值都在10-40F·m2,与实验结果相吻合。
由量子力学计算给出的电子极化率为
2、离子位移极化:离子晶体中,无电场作用时,离子处在正常格点位置并对外保持电中性,但在电场作用下,正、负离子产生相对位移,破坏了原先呈电中性分布的状态,电荷重新分布,相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化. 离子位移极化主要存在于离子化合物材料中,如云母、陶瓷材料等。
(1)离子位移极化率:
以NaCl为例,在外电场E作用下,正、负离子相对自己原来位置发生△r大小位移,在△r不大时,离子达到平衡的条件是电场作用力与离子的恢复力相等,即