第四章-1 電介質(zhì)材料 (基礎(chǔ)知識(shí))

1、電電 介介 質(zhì)質(zhì) 材材 料料第第 四四 章章4-1 電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識(shí)電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識(shí)4-2 電容器介質(zhì)材料電容器介質(zhì)材料4-3 壓電材料和熱釋電材料壓電材料和熱釋電材料4-1-1 電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化4-1-2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗4-1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿4-1 電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識(shí)電介質(zhì)物理基礎(chǔ)知識(shí)電介質(zhì)材料的四個(gè)基本參數(shù)：電介質(zhì)材料的四個(gè)基本參數(shù)：介電常數(shù)介電常數(shù)（）、）、損耗角正切損耗角正切（tan）、）、電導(dǎo)率電導(dǎo)率（ ）、）、抗電強(qiáng)度抗電強(qiáng)度（ Eb ）4-1-4 電介質(zhì)材料的非電性能電介質(zhì)材料的非電性能4-1-1 電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及

2、其極化1. 電介質(zhì)及極化的定義電介質(zhì)及極化的定義自由電荷自由電荷導(dǎo)體、半導(dǎo)體：導(dǎo)體、半導(dǎo)體：絕緣體：絕緣體：束縛電荷束縛電荷長(zhǎng)程遷移長(zhǎng)程遷移自由電荷自由電荷導(dǎo)體、半導(dǎo)體：導(dǎo)體、半導(dǎo)體：絕緣體：絕緣體：束縛電荷束縛電荷長(zhǎng)程遷移長(zhǎng)程遷移極化極化 極化極化：在電場(chǎng)作用下，在電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷表面出現(xiàn)束縛電荷（極化電荷）的現(xiàn)象。（極化電荷）的現(xiàn)象。 電介質(zhì)電介質(zhì)：以極化方式傳遞、儲(chǔ)存或記錄外電場(chǎng)作用和影響的物質(zhì)。：以極化方式傳遞、儲(chǔ)存或記錄外電場(chǎng)作用和影響的物質(zhì)。 4-1-1 電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化1. 電介質(zhì)及極化的定義電介質(zhì)及極化的定義電偶極子：電偶極子：L+q-

3、qLqu 將分子等效為電偶極子，根據(jù)其電偶極矩將分子等效為電偶極子，根據(jù)其電偶極矩 的不同，分為兩類(lèi)：的不同，分為兩類(lèi)：（1）無(wú)極分子：）無(wú)極分子：分子u正負(fù)電荷重心重合，正負(fù)電荷重心重合，0分子u+ + + + + + + + + + + + +-0E感應(yīng)偶極矩感應(yīng)偶極矩位移極化位移極化例如，例如， He、H2、N2、 CO2 、CH4等。等。 -+電偶極矩電偶極矩2. 極化的微觀機(jī)制極化的微觀機(jī)制（2）有極分子：）有極分子： 正負(fù)電荷重心不重合，正負(fù)電荷重心不重合，0分子u + - 固有偶極矩固有偶極矩-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+0E+-+-+-+-+-+-+-+-+-

4、取向極化取向極化例如，例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。等。 非極性介質(zhì)非極性介質(zhì) 在電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷在微觀尺度作偏離平衡位置的相對(duì)位移， 正負(fù)電荷相對(duì)位移的方向相反，在相距一定距離之后，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩；電介質(zhì) 整體來(lái)看，就形成了感應(yīng)宏觀偶極矩：位移極化位移極化 極性介質(zhì)極性介質(zhì) 組成介質(zhì)的分子具有極性或正負(fù)離子的中心不重合，其本身就具有 固有偶極矩；在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使固有偶極矩混亂取向，偶極矩的矢量和 為零；有外電場(chǎng)時(shí)，偶極子沿電場(chǎng)方向取向幾率增加，偶極矩的矢量和不再為零， 電介質(zhì)對(duì)外表現(xiàn)出感應(yīng)宏觀偶極矩：取向極化取向極化Q0EEE：外電場(chǎng)：外電場(chǎng)0E：退

5、極化場(chǎng)：退極化場(chǎng)E介質(zhì)中的總場(chǎng)強(qiáng)：介質(zhì)中的總場(chǎng)強(qiáng)：EEE0 由于介質(zhì)的極化，由于介質(zhì)的極化，在介質(zhì)表面出現(xiàn)符號(hào)相反的感應(yīng)電荷在介質(zhì)表面出現(xiàn)符號(hào)相反的感應(yīng)電荷，在介質(zhì)內(nèi)形成，在介質(zhì)內(nèi)形成 與外電場(chǎng)方向相反的與外電場(chǎng)方向相反的退極化場(chǎng)退極化場(chǎng)。0E圖圖1 極化使電介質(zhì)極化使電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷： 介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，表面感應(yīng)電荷越多，退極化場(chǎng)越強(qiáng)。介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，表面感應(yīng)電荷越多，退極化場(chǎng)越強(qiáng)。圖圖2 表面感應(yīng)電荷形成表面感應(yīng)電荷形成退極化場(chǎng)退極化場(chǎng)：3. 表面感應(yīng)電荷和退極化場(chǎng)表面感應(yīng)電荷和退極化場(chǎng)4、極化能力的表征、極化能力的表征0QUdUE00QQ QUQ0EE

6、EUQC00UQCUQQUQC00 定義電容器充以電介質(zhì)時(shí)的電容量定義電容器充以電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)的電容量與真空時(shí)的電容量C0的比值為該電介質(zhì)的比值為該電介質(zhì) 的的相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)：0CCr0 介電常數(shù)反映了介質(zhì)極化能力的大小，介電常數(shù)值越大，極化能力越強(qiáng)。介電常數(shù)反映了介質(zhì)極化能力的大小，介電常數(shù)值越大，極化能力越強(qiáng)。介電常數(shù)介電常數(shù)0EDEDr80.1水水26.4乙醇乙醇4.274.34石英石英3.80玻璃玻璃1.00059空氣空氣2.02.51.00000石蠟石蠟真空真空常用電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)常用電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)5.18.6酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂2.62.93.6

7、4.14.552.112.26天然橡膠天然橡膠環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂聚氯乙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚乙烯聚乙烯2000 110鈦酸鋇鈦酸鋇 金紅石（金紅石（TiO2）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 MgSiO3 云母云母10456.1巨介電常數(shù)材料巨介電常數(shù)材料CaCu3Ti4O12：1055. 介質(zhì)極化強(qiáng)度和極化率介質(zhì)極化強(qiáng)度和極化率為了描述電介質(zhì)在外場(chǎng)中的極化情況，引入為了描述電介質(zhì)在外場(chǎng)中的極化情況，引入極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量 ，它等于單位，它等于單位體積內(nèi)感生偶極矩的矢量和：體積內(nèi)感生偶極矩的矢量和：PVilimP0Vl 若介質(zhì)中的電場(chǎng)是均勻的，則有：若介質(zhì)中的電場(chǎng)是均勻的，則有：

8、ViP單位為：?jiǎn)挝粸椋篊/m20nPl 若單位體積中有若單位體積中有n0個(gè)極化粒子，各極化粒子偶極矩的平均值為個(gè)極化粒子，各極化粒子偶極矩的平均值為 ，則有：，則有：l 對(duì)于線性極化，對(duì)于線性極化， 與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，有：與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，有：eEeE：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的局域電場(chǎng)局域電場(chǎng)，稱(chēng)為有效電場(chǎng)；，稱(chēng)為有效電場(chǎng)；：極化：極化粒子的極化率粒子的極化率，是表征微觀粒子極化性質(zhì)的，是表征微觀粒子極化性質(zhì)的微觀參數(shù)微觀參數(shù)。eEP0nU6. 電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的關(guān)系電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的關(guān)系平板型電容器的極片面積為

9、平板型電容器的極片面積為S，極片間距為，極片間距為d，均勻，均勻極化時(shí)，整個(gè)電介質(zhì)總的感應(yīng)偶極矩：極化時(shí)，整個(gè)電介質(zhì)總的感應(yīng)偶極矩：QSddQ 極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度：SQSddQP000QQ1QQQrSdSU1-SUC1-SQ1-0r0r0rUQC00dSC00eEP0nE0r1-EEe00rn1 提高電介質(zhì)的介電常數(shù)：提高電介質(zhì)的介電常數(shù)： 提高單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)提高單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0； 選取極化率選取極化率 大的粒子組成電介質(zhì)；大的粒子組成電介質(zhì)； 增強(qiáng)作用于極化粒子上的有效電場(chǎng)增強(qiáng)作用于極化粒子上的有效電場(chǎng)Ee。EEe00rn1對(duì)于對(duì)于氣體、非極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)或完全無(wú)序

10、的介質(zhì)氣體、非極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)或完全無(wú)序的介質(zhì)，有效電場(chǎng)與外電場(chǎng)的關(guān)系為：有效電場(chǎng)與外電場(chǎng)的關(guān)系為：EEe32r這樣的有效電場(chǎng)稱(chēng)為洛倫茲（這樣的有效電場(chǎng)稱(chēng)為洛倫茲（Lorentz）有效電場(chǎng)，將其代入）有效電場(chǎng)，將其代入r公式：公式：00rr3n21-稱(chēng)為稱(chēng)為克克 莫極化方程莫極化方程，是在采用洛倫茲有效電場(chǎng)的情況下，聯(lián)系電介質(zhì)極化，是在采用洛倫茲有效電場(chǎng)的情況下，聯(lián)系電介質(zhì)極化宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的關(guān)系式。宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的關(guān)系式。7. 電介質(zhì)極化的類(lèi)型電介質(zhì)極化的類(lèi)型 電子位移極化、離子位移極化、電子位移極化、離子位移極化、 偶極子轉(zhuǎn)向極化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發(fā)極化偶極子

11、轉(zhuǎn)向極化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發(fā)極化1）電子位移極化）電子位移極化電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)的作用下，粒子中的電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場(chǎng)的作用下，粒子中的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，而感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。，而感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。00E0E電子云電子云原子核原子核電子位移極化模型圖電子位移極化模型圖+q-ql 電子位移極化率電子位移極化率與溫度無(wú)關(guān)與溫度無(wú)關(guān)：溫度的高低不足以改變?cè)踊螂x子的半徑。：溫度的高低不足以改變?cè)踊螂x子的半徑。eeeEl 電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩：電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶

12、極矩：e為電子極化率：為電子極化率： 304re電子極化率與電子極化率與原子半徑的立方成正比原子半徑的立方成正比，電子軌道半徑，電子軌道半徑 r 越大，電子離原子核越大，電子離原子核越遠(yuǎn)，與原子核之間的吸引力越弱，越容易發(fā)生極化。越遠(yuǎn)，與原子核之間的吸引力越弱，越容易發(fā)生極化。（電子位移極化率的數(shù)量級(jí)為（電子位移極化率的數(shù)量級(jí)為10-40 F.m2）l 電子位移極化電子位移極化存在于一切介質(zhì)中存在于一切介質(zhì)中。l 電子位移極化電子位移極化建立的時(shí)間很短建立的時(shí)間很短，約在，約在10-14 10-16 s范圍；如果所加電場(chǎng)為交變范圍；如果所加電場(chǎng)為交變 電場(chǎng)，即使電場(chǎng)頻率高達(dá)光頻，電子位移極化也

13、來(lái)得及響應(yīng)。電場(chǎng)，即使電場(chǎng)頻率高達(dá)光頻，電子位移極化也來(lái)得及響應(yīng)。l 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的 值并不嚴(yán)格等于值并不嚴(yán)格等于 ，不同原子和離子，不同原子和離子 比值大小不一樣，比值大小不一樣， 值大的原子或離子越容易發(fā)生極化值大的原子或離子越容易發(fā)生極化。e304r304/re304/reeeEn0ePer0nePl 補(bǔ)充講義補(bǔ)充講義P10，表，表2-2列出了一些原子和離子的列出了一些原子和離子的 比值，比值，O2-具有具有 較大的電子位移極化率較大的電子位移極化率。304/re2）離子位移極化）離子位移極化+-偶極矩矢量和為零；偶極矩矢量和為零；0E+感應(yīng)偶極矩：感應(yīng)偶極矩：eiiE33

14、）（rr a ii為離子位移極化率。為離子位移極化率。l 當(dāng)離子位移為完全彈性位移時(shí)，可以得出：當(dāng)離子位移為完全彈性位移時(shí)，可以得出：l 離子位移極化率離子位移極化率隨溫度的升高而增大隨溫度的升高而增大，但增加甚微；，但增加甚微；（離子位移極化率的數(shù)量級(jí)為（離子位移極化率的數(shù)量級(jí)為10-40 F.m2）（a為晶格常數(shù)，晶體密堆積時(shí)為晶格常數(shù)，晶體密堆積時(shí) ）rr a l 離子位移極化對(duì)外場(chǎng)的離子位移極化對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間也較短響應(yīng)時(shí)間也較短，約為，約為10-12 10-13 s。3）偶極子轉(zhuǎn)向極化）偶極子轉(zhuǎn)向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-0E-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

15、-+00E在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極子混亂排布分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極子混亂排布，分子固有偶極矩在空間各方向的取向幾率相同，宏分子固有偶極矩在空間各方向的取向幾率相同，宏觀偶極矩觀偶極矩 為零。為零。 0在電場(chǎng)作用下，在電場(chǎng)作用下，極性分子沿電場(chǎng)方向取向幾率大于極性分子沿電場(chǎng)方向取向幾率大于其它方向其它方向，形成宏觀偶極矩。，形成宏觀偶極矩。0極性分子具有固有偶極矩極性分子具有固有偶極矩 ，可以把它們看成偶極子。，可以把它們看成偶極子?？梢宰C明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：可以證明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：kTu320l 偶極子轉(zhuǎn)向極化率偶極子轉(zhuǎn)向極化率隨溫度的升高而下降隨溫度的升高而下降：

16、溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)的抗取向作用加??；：溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)的抗取向作用加??；l 偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)外電場(chǎng)的偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，約為，約為10-8 10-2 s。（偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)量級(jí)為（偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)量級(jí)為10-38 F.m2）4）離子松弛極化離子松弛極化玻璃態(tài)物質(zhì)、機(jī)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，玻璃態(tài)物質(zhì)、機(jī)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，容易受熱激活，越過(guò)勢(shì)壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱(chēng)為容易受熱激活，越過(guò)勢(shì)壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱(chēng)為弱束縛離子弱束縛離子。在電場(chǎng)作用下，沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生在電場(chǎng)作用下，

17、沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生過(guò)剩躍遷的離子過(guò)剩躍遷的離子，使電介質(zhì)電荷分布不均，使電介質(zhì)電荷分布不均，形成電偶極矩。形成電偶極矩。l 離子松弛極化率：離子松弛極化率： ，與溫度成反比；，與溫度成反比；kTXqt1222l 離子松弛極化離子松弛極化建立的時(shí)間較慢建立的時(shí)間較慢，約為，約為10-2 s；UxABU躍遷幾率相同躍遷幾率相同X00EUxAB沿電場(chǎng)方向遷移幾率增加沿電場(chǎng)方向遷移幾率增加+0El 離子松弛極化是非可逆的過(guò)程，且離子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。離子松弛極化是非可逆的過(guò)程，且離子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。5）空間電荷極化）空間電荷極化當(dāng)介質(zhì)中當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子存在少量自由電

18、荷載流子（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，載流子將移動(dòng)，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。載流子將移動(dòng)，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。+e+0E移動(dòng)的載流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處移動(dòng)的載流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處，形成空間電荷的局部，形成空間電荷的局部積累，使介質(zhì)中電荷分布不均，從而產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生極化。積累，使介質(zhì)中電荷分布不均，從而產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生極化。l 空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)；空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)；l 空間電荷極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)空間電荷極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)，在幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)范圍內(nèi)。，在幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)范

19、圍內(nèi)。6）自發(fā)式極化）自發(fā)式極化l 某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其某些晶體具有特殊的結(jié)構(gòu)，其晶胞自身的正負(fù)電荷重心不重合晶胞自身的正負(fù)電荷重心不重合，即晶胞具有極性。，即晶胞具有極性。l 由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在某一方向出現(xiàn)偶極矩時(shí)，將逐由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性和重復(fù)性，當(dāng)某一晶胞在某一方向出現(xiàn)偶極矩時(shí)，將逐 級(jí)影響到相鄰的晶胞，使它們的級(jí)影響到相鄰的晶胞，使它們的固有偶極矩朝向相同的方向固有偶極矩朝向相同的方向。由于這種。由于這種局部極局部極 化狀態(tài)化狀態(tài)是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立的，稱(chēng)為是在外電場(chǎng)為零時(shí)自發(fā)建立的，稱(chēng)為自發(fā)極化自發(fā)極化。l 具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱(chēng)為具有相

20、同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱(chēng)為電疇電疇。沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，電疇空間取向平。沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，電疇空間取向平 均，均， 介質(zhì)不顯極性；有外電場(chǎng)時(shí)，電疇沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，顯示介質(zhì)不顯極性；有外電場(chǎng)時(shí)，電疇沿電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)向，顯示強(qiáng)烈的極化效應(yīng)強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。電疇電疇l 自發(fā)極化產(chǎn)生的自發(fā)極化產(chǎn)生的介電常數(shù)非常高介電常數(shù)非常高，且，且極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)極化建立的時(shí)間很長(zhǎng)。7）請(qǐng)思考下列介質(zhì)中存在的極化類(lèi)型）請(qǐng)思考下列介質(zhì)中存在的極化類(lèi)型 N2、H2、CO2非極性氣體，只存在電子位移極化非極性氣體，只存在電子位移極化 SO2、H2S、HCl極性氣體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化極性氣體，存在電子位移極化和偶極子

21、轉(zhuǎn)向極化 苯、苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯 乙醇、聚氯乙烯乙醇、聚氯乙烯 離子晶體離子晶體非極性液體或固體，只存在電子位移極化非極性液體或固體，只存在電子位移極化極性液體或固體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化極性液體或固體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化存在電子位移極化和離子位移極化；有的還存在離子松弛極化和存在電子位移極化和離子位移極化；有的還存在離子松弛極化和自發(fā)極化（如自發(fā)極化（如BaTiO3）4-1-2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗l 電子位移極化和離子位移極化電子位移極化和離子位移極化建立的時(shí)間極短，可以與可見(jiàn)光的周期相比擬，建立的時(shí)間極短，可以與可見(jiàn)

22、光的周期相比擬， 在遠(yuǎn)低于光頻的無(wú)線電頻率范圍，這兩種極化在遠(yuǎn)低于光頻的無(wú)線電頻率范圍，這兩種極化可以看成是即時(shí)的可以看成是即時(shí)的，稱(chēng)為，稱(chēng)為瞬時(shí)極化瞬時(shí)極化。偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發(fā)極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)，建立的時(shí)間較長(zhǎng)，稱(chēng)為稱(chēng)為緩慢極化緩慢極化，也稱(chēng)弛豫極化。，也稱(chēng)弛豫極化。l 在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱(chēng)為靜態(tài)介電常數(shù)（在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱(chēng)為靜態(tài)介電常數(shù)（s）。）。+瞬時(shí)極化與交變電場(chǎng)完全同步，瞬時(shí)極化與交變電場(chǎng)完全同步，其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間沒(méi)有相位差沒(méi)有相位差。+緩慢極化需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到

23、緩慢極化需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到相應(yīng)電場(chǎng)下的最大極化值；相應(yīng)電場(chǎng)下的最大極化值；緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間存在相位差存在相位差。0E0El 隨著交變電場(chǎng)頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分隨著交變電場(chǎng)頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分3種情況：種情況： 頻率很低頻率很低：各種極化的建立跟得上電場(chǎng)的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng)：各種極化的建立跟得上電場(chǎng)的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng) 同靜電場(chǎng)情形；同靜電場(chǎng)情形； 頻率極高頻率極高：弛豫極化完全來(lái)不及建立，不必考慮；：弛豫極化完全來(lái)不及建立，不必考慮； 瞬時(shí)極化仍同靜電場(chǎng)情形；瞬時(shí)極化仍同靜電場(chǎng)情形； 介于中間：介于中間：出現(xiàn)極化損耗出現(xiàn)極化損耗，介電常數(shù)隨電

24、場(chǎng)頻率變化。，介電常數(shù)隨電場(chǎng)頻率變化。1. 極化損耗極化損耗余弦交變電場(chǎng)：余弦交變電場(chǎng)：tEE0costDD0cos介質(zhì)的位移電流密度：介質(zhì)的位移電流密度： 電場(chǎng)頻率很低時(shí)：電場(chǎng)頻率很低時(shí)： 極化跟得上電場(chǎng)的變化，電位移極化跟得上電場(chǎng)的變化，電位移D（ ）與電場(chǎng)）與電場(chǎng)E之間沒(méi)有相位差：之間沒(méi)有相位差：PED0)2cos(sin-tDtDDj00dtd單位時(shí)間內(nèi)單位體積消耗的能量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積消耗的能量：dtEjW202交變電場(chǎng)頻率很低時(shí)，介質(zhì)中沒(méi)有極化損耗。交變電場(chǎng)頻率很低時(shí)，介質(zhì)中沒(méi)有極化損耗。tdttcossin220200ED0 電場(chǎng)頻率較高時(shí)：電場(chǎng)頻率較高時(shí)：余弦交變電場(chǎng)：余弦

25、交變電場(chǎng)：tEE0cos)-(costDD0某些類(lèi)型的極化不能完全跟上電場(chǎng)的變化，電位移某些類(lèi)型的極化不能完全跟上電場(chǎng)的變化，電位移D（ ）與電場(chǎng)與電場(chǎng)E之間出現(xiàn)相位差之間出現(xiàn)相位差 ：t Dt DD00sinsincoscos介質(zhì)的位移電流密度：介質(zhì)的位移電流密度：tDtDDj00cossinsincos-dtd：不導(dǎo)致介質(zhì)中出現(xiàn)能量損耗：不導(dǎo)致介質(zhì)中出現(xiàn)能量損耗：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積的介質(zhì)中能量損耗：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積的介質(zhì)中能量損耗：sin200EDWl 當(dāng)極化滯后于交變電場(chǎng)變化時(shí)，介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗，稱(chēng)為當(dāng)極化滯后于交變電場(chǎng)變化時(shí)，介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗，稱(chēng)為極化損耗極化損耗；PED0l 極化損

26、耗與電場(chǎng)頻率極化損耗與電場(chǎng)頻率 及及 有關(guān)，相角有關(guān)，相角 稱(chēng)為稱(chēng)為電介質(zhì)損耗角電介質(zhì)損耗角。2. 復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)用復(fù)數(shù)表示交變電場(chǎng)下的上述關(guān)系：用復(fù)數(shù)表示交變電場(chǎng)下的上述關(guān)系：復(fù)電場(chǎng)強(qiáng)度：復(fù)電場(chǎng)強(qiáng)度：tEE0iexptEtEE00sinicos或或復(fù)電位移：復(fù)電位移：)i (exptDD0tDtDD00sinicos當(dāng)極化跟不上外電場(chǎng)的變化時(shí)，當(dāng)極化跟不上外電場(chǎng)的變化時(shí)， 與與 之間有之間有 角的相位差：角的相位差：DE)-i(exptDD0根據(jù)介電常數(shù)的定義（根據(jù)介電常數(shù)的定義（ ），引入復(fù)相對(duì)介電常數(shù)，習(xí)慣稱(chēng)為），引入復(fù)相對(duì)介電常數(shù)，習(xí)慣稱(chēng)為復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)：ED0rED0r當(dāng)

27、電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度同位相時(shí)：當(dāng)電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度同位相時(shí)：當(dāng)電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度有相位差時(shí)：當(dāng)電位移和電場(chǎng)強(qiáng)度有相位差時(shí)：i-exp000rED000rED是實(shí)數(shù)；是實(shí)數(shù)；是復(fù)數(shù)。是復(fù)數(shù)。EDDjr0iidtd介質(zhì)的復(fù)位移電流密度：介質(zhì)的復(fù)位移電流密度：EEr0r0 i0r0E-tsin0r0E tcos的實(shí)數(shù)部分：的實(shí)數(shù)部分：的實(shí)數(shù)部分：的實(shí)數(shù)部分： irrr復(fù)介電常數(shù)：復(fù)介電常數(shù)：)i (exptDD0tEtEE00sinicos沒(méi)有能量損耗：無(wú)功電流密度沒(méi)有能量損耗：無(wú)功電流密度產(chǎn)生能量損耗：有功電流密度產(chǎn)生能量損耗：有功電流密度20 210EWr單位時(shí)間單位體積極化損耗的能量為：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體

28、積極化損耗的能量為： r在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)損耗常用在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)損耗常用 值來(lái)表示：值來(lái)表示：tan tanrr稱(chēng)為稱(chēng)為介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切。tan（損耗因子）（損耗因子）3. 德拜方程德拜方程221- sr221-sr22- tanssrr由極化弛豫過(guò)程，德拜首先提出并建立了由極化弛豫過(guò)程，德拜首先提出并建立了復(fù)介電常數(shù)與頻率之間的關(guān)系復(fù)介電常數(shù)與頻率之間的關(guān)系，稱(chēng)為稱(chēng)為德拜方程：德拜方程：s：頻率：頻率 ，即靜電場(chǎng)時(shí)的介電常數(shù)，稱(chēng)靜態(tài)介電常數(shù)，即靜電場(chǎng)時(shí)的介電常數(shù)，稱(chēng)靜態(tài)介電常數(shù)0：頻率：頻率 時(shí)的介電常數(shù)，稱(chēng)光頻介電常數(shù)時(shí)的介電常數(shù)，稱(chēng)光頻介電常數(shù)：弛豫時(shí)間，極化強(qiáng)度降為最大

29、值的：弛豫時(shí)間，極化強(qiáng)度降為最大值的1/e時(shí)所需要的時(shí)間時(shí)所需要的時(shí)間22sr- 122sr-13.1 復(fù)介電常數(shù)的頻率特性復(fù)介電常數(shù)的頻率特性：隨頻率的增加而降低，從靜態(tài)值：隨頻率的增加而降低，從靜態(tài)值 降至光頻值降至光頻值 ；1） 時(shí)：時(shí)： ， ，即靜電場(chǎng)下的情況；，即靜電場(chǎng)下的情況；0sr0 r2） 時(shí)：時(shí)： ， ，即光頻下的情況；，即光頻下的情況；0 rr3） 在在 之間時(shí)：之間時(shí)：0 rrs：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率 。1-mrlgs rm2s2s 時(shí)：時(shí)：1-sr- sr r大致正比于大致正比于，；- sr 時(shí)：時(shí)：1-r大致反比于大致反比于，

30、 r； 附近：附近： 和和 發(fā)生劇烈變化，稱(chēng)為發(fā)生劇烈變化，稱(chēng)為彌散區(qū)域彌散區(qū)域。 rr1-22ssrr- tan3.2 的頻率特性的頻率特性tantan隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率：Otanlgmss2-sm1tan的頻率特性與的頻率特性與 類(lèi)似：類(lèi)似： r1- 時(shí)：時(shí)： 大致與大致與 成正比；成正比；時(shí)：時(shí)： 大致與大致與 成反比；成反比；1-m時(shí)：通過(guò)極大值。時(shí)：通過(guò)極大值。 mss-tan-tans4. 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系介電常數(shù)與溫度的關(guān)系EEe00rn1l n0：i宏觀介電常數(shù)與微觀參數(shù)：介質(zhì)單位體積中的極化粒子數(shù)、宏觀介電常數(shù)與微觀參數(shù)：介質(zhì)單

31、位體積中的極化粒子數(shù)、粒子的極化率及有效電場(chǎng)有關(guān)，考察粒子的極化率及有效電場(chǎng)有關(guān)，考察 隨溫度的變化關(guān)系，隨溫度的變化關(guān)系，只需研究只需研究n0、 、和、和 Ee 隨溫度的變化關(guān)系隨溫度的變化關(guān)系。rl Ee：氣體、非極性介質(zhì)、高度對(duì)稱(chēng)和完全無(wú)序介質(zhì)：氣體、非極性介質(zhì)、高度對(duì)稱(chēng)和完全無(wú)序介質(zhì) 洛倫茲有效電場(chǎng)；洛倫茲有效電場(chǎng)； 在離子晶體中，與離子種類(lèi)、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。在離子晶體中，與離子種類(lèi)、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。l ： 電子位移極化率：與溫度無(wú)關(guān)；電子位移極化率：與溫度無(wú)關(guān)； 離子位移極化：離子位移極化：T ， 離子間距膨脹，離子間距膨脹，a ， ； 自發(fā)極化：與相變和晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。自發(fā)極化

32、：與相變和晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。 偶極子取向極化、離子松弛極化：溫度升高，抗取向性增強(qiáng)，極化率下降；偶極子取向極化、離子松弛極化：溫度升高，抗取向性增強(qiáng)，極化率下降；溫度升高，由于熱膨脹，單位體積內(nèi)的粒子數(shù)減少；溫度升高，由于熱膨脹，單位體積內(nèi)的粒子數(shù)減少；5. 計(jì)及漏導(dǎo)電流時(shí)的介質(zhì)損耗計(jì)及漏導(dǎo)電流時(shí)的介質(zhì)損耗l 任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場(chǎng)后，除極化損耗外，任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場(chǎng)后，除極化損耗外， 還有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生，電流做功，以熱的形式散發(fā)出來(lái)，形成介質(zhì)損還有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生，電流做功，以熱的形式散發(fā)出來(lái)，形成介質(zhì)損 耗的一部分，稱(chēng)為耗的一部分，稱(chēng)為漏導(dǎo)損耗漏導(dǎo)損

33、耗，也稱(chēng)，也稱(chēng)電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗。GPtantantanl 介質(zhì)損耗：介質(zhì)損耗：Ptan：極化引起的損耗角正切；：極化引起的損耗角正切；Gtan：電導(dǎo)引起的損耗角正切；：電導(dǎo)引起的損耗角正切；22-ssPtan)11(tans0G22-( 為介質(zhì)的電導(dǎo)率為介質(zhì)的電導(dǎo)率)： ，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：1）0tanP00s0tanl 與頻率的關(guān)系：與頻率的關(guān)系：tan3）隨著頻率的升高，極化損耗開(kāi)始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；）隨著頻率的升高，極化損耗開(kāi)始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；2）頻率很低時(shí)：頻率很低時(shí)： 可忽略不計(jì)；損耗主要由電導(dǎo)引起：可忽略不計(jì)；損耗主要由電導(dǎo)引起：Ptan1

34、tans04）頻率極高時(shí)：頻率極高時(shí)： 1-tan0s22Ptan-ss)11(tan220G-stanlg1）2）3）4）Ol 與電導(dǎo)率與電導(dǎo)率 的關(guān)系：的關(guān)系：tan當(dāng)電介質(zhì)的電導(dǎo)增加時(shí)，漏導(dǎo)損耗的比例就相應(yīng)增加；當(dāng)電介質(zhì)的電導(dǎo)增加時(shí)，漏導(dǎo)損耗的比例就相應(yīng)增加；1） 很小時(shí)：明顯的極化損耗特征；很小時(shí)：明顯的極化損耗特征；2） 逐漸增大時(shí)：極化損耗極大值逐漸變得不明顯；逐漸增大時(shí)：極化損耗極大值逐漸變得不明顯；3） 很大時(shí)：極大值完全被淹沒(méi)，很大時(shí)：極大值完全被淹沒(méi)， 隨頻率增加迅速下降，隨頻率增加迅速下降， 表現(xiàn)出明顯的電導(dǎo)損耗特征。表現(xiàn)出明顯的電導(dǎo)損耗特征。tantan12345543

35、21O22Ptan-ss)11(tan220G-s電導(dǎo)率電導(dǎo)率 與溫度的關(guān)系：與溫度的關(guān)系：）（T/B-Aexp低溫區(qū)：極化損耗為主；低溫區(qū)：極化損耗為主；高溫區(qū)：漏導(dǎo)損耗呈指數(shù)急劇上升。高溫區(qū)：漏導(dǎo)損耗呈指數(shù)急劇上升。OTtan極化損耗極化損耗漏漏導(dǎo)導(dǎo)損損耗耗l 與溫度的關(guān)系：與溫度的關(guān)系：tanOtanT1234554321tan 與溫度的關(guān)系，隨著與溫度的關(guān)系，隨著 的增加，的增加， 極化損耗也逐漸被電導(dǎo)損耗覆蓋。極化損耗也逐漸被電導(dǎo)損耗覆蓋。22Ptan-ss)11(tan220G-s1. 電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)4-1-3 電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿l 實(shí)際電介質(zhì)中或多或少

36、地存在著一定量的自由帶電粒子，在不高的外電場(chǎng)下，實(shí)際電介質(zhì)中或多或少地存在著一定量的自由帶電粒子，在不高的外電場(chǎng)下， 這些載流子定向遷移，形成很小的電流，稱(chēng)為這些載流子定向遷移，形成很小的電流，稱(chēng)為漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)電流。l 若電介質(zhì)中正負(fù)載流子的濃度相同，均為若電介質(zhì)中正負(fù)載流子的濃度相同，均為n，每個(gè)載流子的帶電量為，每個(gè)載流子的帶電量為q，則，則 介質(zhì)中的電流密度為：介質(zhì)中的電流密度為：E)()(qnqnjn歐姆定律：歐姆定律：Ej （ 為電介質(zhì)的為電介質(zhì)的電導(dǎo)率電導(dǎo)率）)(1qn單單位位截截面面q 電導(dǎo)率和電阻率直接表征了介質(zhì)絕緣性能的優(yōu)劣；電導(dǎo)率和電阻率直接表征了介質(zhì)絕緣性能的優(yōu)劣； 電場(chǎng)

37、不高時(shí)，電導(dǎo)率與電場(chǎng)無(wú)關(guān)；電場(chǎng)不高時(shí)，電導(dǎo)率與電場(chǎng)無(wú)關(guān)； 提高介質(zhì)的絕緣性：提高介質(zhì)的絕緣性： 減少載流子數(shù)；減少載流子數(shù)； 降低遷移率。降低遷移率。l 正負(fù)載流子的遷移速率與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比：正負(fù)載流子的遷移速率與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比：EE-（ 和和 為遷移率）為遷移率）-；+q2. 電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)的擊穿l 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)高時(shí)，電導(dǎo)率隨當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)高時(shí)，電導(dǎo)率隨 E 升高迅速增加；若電場(chǎng)繼續(xù)升高，介質(zhì)的升高迅速增加；若電場(chǎng)繼續(xù)升高，介質(zhì)的 電導(dǎo)將突然急劇增加，電介質(zhì)的絕緣性被破壞電導(dǎo)將突然急劇增加，電介質(zhì)的絕緣性被破壞，幾乎變成導(dǎo)體，稱(chēng)為，幾乎變成導(dǎo)體，稱(chēng)為介質(zhì)擊穿介質(zhì)擊穿。l 發(fā)生電擊穿

38、時(shí)的臨界電壓稱(chēng)為擊穿電壓；相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為發(fā)生電擊穿時(shí)的臨界電壓稱(chēng)為擊穿電壓；相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱(chēng)為抗電強(qiáng)度（抗電強(qiáng)度（Eb）。 抗電強(qiáng)度表征了電介質(zhì)承受電場(chǎng)作用能力的高低?？闺姀?qiáng)度表征了電介質(zhì)承受電場(chǎng)作用能力的高低。 抗電強(qiáng)度有時(shí)也稱(chēng)抗電強(qiáng)度有時(shí)也稱(chēng)擊穿強(qiáng)度擊穿強(qiáng)度。l 介質(zhì)擊穿的主要形式：介質(zhì)擊穿的主要形式：電擊穿電擊穿電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接被電場(chǎng)力所破壞；電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接被電場(chǎng)力所破壞；熱擊穿熱擊穿由于電介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱而被破壞；由于電介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱而被破壞；電化學(xué)擊穿電化學(xué)擊穿由于外加電壓的作用，致使電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化而引起擊穿。由于外加電壓的作用，致使電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化而引起擊穿。4-1-4 電介質(zhì)材料的非電性能電介質(zhì)材料的非電性能1. 熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性介電常數(shù)溫度系數(shù)：介電常數(shù)溫度系數(shù)：Tdd1l 熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性：在溫度變化時(shí)，電介質(zhì)材