文档介绍：(二)电介质
电介质极化机制:(1)、分子的极化;
(3)、空间电荷极化。
(2)、弛豫极化(电子、离子弛豫极化);
1、电介质极化
(2)、弛豫极化(电子、离子弛豫极化);
(2)、(电子、离子)弛豫极化
弛豫极化—松弛极化
弛豫—松弛:需要时间的过程
所有极化都需要时间、都是弛豫的。
电子、离子的弛豫极化:极化建立时间较长、不同于电子、
离子位移极化的一种极化
材料中弱联系(受束缚较弱)的电子、离子在电场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态
弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大
电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒
极化建立时间比位移极化大得多。
弛豫极化往往是不可逆的
弱束缚电子
A、电子弛豫极化
晶格缺陷处的原子、杂质原子中的弱束缚电子
晶格缺陷处的原子或杂质原子在禁带中引入的局域能级或杂质能级上的电子
吸收较小的能量可由较低的局域或杂质能级激发到较高的局域或杂质能级、甚至导带
沿电场的方向可做短距离运动、过程不可逆
具有电子弛豫极化的材料通常具有一定的电子电导
常出现于铌、铋、钛氧化物陶瓷中
电子弛豫极化建立时间:
交变电场的频率高于时,这种极化不存在
弛豫极化电子:
B、离子弛豫极化
缺陷区弱联系离子势能
强联系离子: 完整离子晶体中处于正常节点、能量最低、最稳定
极化时只能在平衡位置附近产生弹性位移
弱联系离子:
离子自身能量较高,易于活化、迁移
晶体中的杂质、缺陷区域的离子或玻璃态物质中结构松散的离子
极化时可从一个平衡位置移到另一个平衡位置
平衡位置
正常区强联系离子势能
电场撤去后离子不能回到原位置
过程非可逆性
迁移距离可达离子晶格的数量级
离子运动势垒
位移极化
离子弛豫极化率:
离子电荷
离子在电场作用下的位移
热力学温度
离子运动阻力大
离子弛豫极化建立时间:
交变电场的频率高于时,这种极化不存在
跟不上电场的变化
离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级
(3)、空间电荷极化
材料中不仅包含完整晶体部分、缺陷部分,还可能有从外部注入的空间电荷
混乱分布的空间电荷在外电场作用下趋于有序化:
正、负空间电荷分别顺、逆电场的方向运动
积聚在材料中的晶界、晶格缺陷等处
形成与外场方向相反的很强的电场
空间电荷极化
空间电荷热运动、扩散加剧,极化减弱
空间电荷极化建立时间:很长、几秒至几十分或更长
空间电荷极化仅在直流电场或低频电场下存在
2、介电常数(电容率)
真空
真空平行板电容器
电容的定义:
与几何尺寸的关系:
极板面积;
极板间距
容电本领
极板间的场强:
电位移矢量大小:
极板电荷面密度:
介质平行板电容器
介质极化在表面产生的束缚电荷
极板上的电荷
(极板间的电压不变)
电容:
电介质的介电系数
介质的极化强度
介质的极化强度:
介质单位体积内电偶极矩的矢量和
极化率:
相对介电系数是介质极化的宏观量度; 越大、介质极化程度越高
介质极化是弛豫的、需要时间的
是弛豫的、是电场频率的函数
频率, Hz
取向极化
离子位移极化
电子位移极化
未考虑电子离子的弛豫极化
频率, Hz
取向极化
离子位移极化
电子位移极化
未考虑电子离子的弛豫极化
交变电场频率:
时:
电子、离子的位移极化,有极分子的偶极取向极化都能跟上电场的变化
介电系数与直流电场时相同
时:
偶极取向极化逐渐跟不上电场的变化,
时:
偶极取向极化不能实现
电子位移极化
离子位移极化
反常色散区:介电系数跌落的频率范围
取向极化:
离子位移极化:
电子位移极化:
倒数为松弛时间