電介質(zhì)物理基礎(chǔ)孫目珍版完整的課后習(xí)

1、電介質(zhì)物理基礎(chǔ)孫目珍版完整 的課后習(xí)作者:日期:第一章電介質(zhì)的極化1什么是電介質(zhì)的極化？表征介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)是什么？若兩平行板之間充滿均勻的電介質(zhì)， 在外電場作用下，電介質(zhì)的內(nèi)部將感應(yīng)出偶 極矩，在與外電場垂直的電介質(zhì)表面上出現(xiàn)與極板上電荷反號的極化電荷，即束縛電荷（TXo這種在外電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩， 在 電介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)極化。為了計及電介質(zhì)極化對電容器容量變化的影響， 我們定義電容器充以電介質(zhì)時的CP r電容量C與真空時的電容量C0的比值為該電介質(zhì)的介電系數(shù)，即Co，它是一個大于1、無量綱的常數(shù)，是綜合反映電介質(zhì)極化行為的宏觀物理量。2什么

2、叫退極化電場？如何用一個極化強度 P表示一個相對介電常數(shù)為Pr的平行板介質(zhì)電容器的退極化電場、平均宏觀電場、電容器極板上充電電荷產(chǎn)生的電 場。電介質(zhì)極化以后，電介質(zhì)表面的極化電荷將削弱極板上的自由電荷所形成的電 場，所以，由極化電荷產(chǎn)生的場強被稱為退極化電場。PE 退極化電場：Ed充電電荷產(chǎn)生的電場:0E P0P PrP0( r 1)00( r 1)3.氧離子的半徑為1.3210 10m，計算氧原子的電子位移極化率平行宏觀電場：0（ r 1）按式 4r3代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算2.56 1O40F?m24 3.14 (8.85 10 12) (1.32 10 10)3在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氖的電子位移極

3、化率為 電常數(shù)。0.43 10 10F ?m2。試求出氖的相對介單位體積粒子數(shù)N231036.023 1022.42.732510,N e ,2.7310250.43 10 400 ( r 1)N er1-141208.8510試寫出洛倫茲有效電場的表達(dá)式。 適合洛倫茲有效電場時，電介質(zhì)的介電系數(shù) r和極化率有什么關(guān)系？其介電系數(shù)的溫度系數(shù)的關(guān)系式又如何表示。洛倫茲有效電場表達(dá)式：e電介質(zhì)的介電系數(shù)r和極化率的關(guān)系:r 1r2其介電系數(shù)的溫度系數(shù)的關(guān)系式:1r dT(r 2)( r 1)Bl若E1表示球內(nèi)極化粒子在球心所形成的電場，試表示洛倫茲有效電場中E1 0時的情況2巳0時，洛倫茲有效電場

4、可表示為：Ee - E3試述K M方程賴以成立的條件及其應(yīng)用范圍K M賴以成立的條件：E 0。其應(yīng)用范圍：非極性氣體電介質(zhì)，低壓力極性 氣體電介質(zhì)，高對稱性的立方點陣原子、離子晶體等分子間作用較小的電介質(zhì)。有一介電系數(shù)r的球狀介質(zhì)，放在均勻電場E中。假設(shè)介質(zhì)的引入不改變外電 場的分布，試證E七Ee按洛倫茲有效電場計算模型可得：E 0時，Ee2 E，因此E - Ee3r 2如何定義介電系數(shù)的溫度系數(shù)？寫出介電系數(shù)的溫度系數(shù)、電容量溫度系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。溫度變化1度時，介電系數(shù)的相對變化率為介電系數(shù)的溫度系數(shù)。介電系數(shù)的溫度系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：d r rdT1 dC電容量溫度系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：C C

5、 dT列舉一些介質(zhì)材料的極化類型，以及舉出在各種不同頻率下可能發(fā)生的極化 形式。如高鋁瓷，其主要存在電子和離子的位移極化，而摻雜的金紅石和鈦酸鈣瓷 ， 除了含有電子和離子的位移極化以外，還存在電子和離子的松弛極化。極性介質(zhì) 在光頻區(qū)將會出現(xiàn)電子和離子的位移極化，在無線電頻率區(qū)可出現(xiàn)松弛極化、偶 極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化。11什么是瞬間極化、緩慢式極化？它們所對應(yīng)的微觀機制各代表什么？極化完成的時間在光頻范圍內(nèi)的電子、 離子位移極化都稱為瞬間極化。而在無線 電頻率范圍內(nèi)的松弛極化、自發(fā)式極化都稱為緩慢式極化。電子、離子的位移極 化的極化完成的時間非常短，在10 1210 15秒的范圍內(nèi)，當(dāng)外電

6、場的頻率在光頻范圍內(nèi)時，極化能跟得上外電場交變頻率的變化， 不會產(chǎn)生極化損耗；而松弛 極化的完成所需時間比較長，當(dāng)外電場的頻率比較高時，極化將跟不上交變電場 的頻率變化，產(chǎn)生極化滯后的現(xiàn)象，出現(xiàn)松弛極化損耗。設(shè)一原子半徑為R的球體，電子繞原子核均勻分布，在外電場 E的作用下， 原子產(chǎn)生彈性位移極化，試求其電子位移極化率。1）受力分析：假設(shè)在外加電場作用下電子云的分布不變，電子云和原子核將受到大小相等、方向相反的電場力 ZeEe的作用，使電子云的原子核之間產(chǎn)生相對位移d .（2）依高斯定理，電子云與原子核之間的庫侖引力相當(dāng)于以 O為中心，d為半 徑的小球內(nèi)負(fù)電荷與O點正電荷之間的引力。當(dāng)電場力與

7、庫侖引力達(dá)到平衡時，ZeEe1 Ze Zed3234 o d r依偶極矩的定義為Zed 4 0r3EeeEe則e 4 0r3一平行板真空電容器，極板上的自由電荷面密度為，現(xiàn)充以介電系數(shù)為的介質(zhì)。若極板上的自由電荷面密度保持不變，則真空時：平行板電容器的場強E ,電位移D，極化強度P 0 ;充以介質(zhì)時：平行板電容器場強0，電位移0 r，極化強度P （1 r），極化電荷所產(chǎn)生的場強Eji （Eo Ej）（ r 1）（負(fù)號表示Eji的方向）0 r0 r為何要研究電介質(zhì)中的有效電場？有效電場指的是什么？它是由哪幾部分組 成的？寫出具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。有效電場是指作用在某一極化粒子上的局部電場。是除了被極

8、化的該點的粒子之外所有外部自由電荷和極化偶極子在該點所產(chǎn)生的電場。介電系數(shù)的預(yù)測是電介質(zhì)極化研究的根本目標(biāo)。由克勞修斯方程 0 N 旦，必須首先預(yù)測出有效電場與宏觀外場的關(guān)系，0 E再進(jìn)一步從微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測極化特性（極化率），方可實現(xiàn)目標(biāo) 洛倫茲有效電場由三部分構(gòu)成：第一部分：極板自由電荷在中心形成的電場，其值為：E0 一0第二部分：球外極化粒子的在中心形成的綜合電場，可歸結(jié)為兩部分構(gòu)成:E E1 E20部分是電介質(zhì)表面束縛電荷在中心形成的場強，其值為:Ei另一部分是球腔表面束縛電荷在中心形成的場強，其值為: 第三部分：球內(nèi)極化粒子在中心形成的綜合場強，當(dāng)介質(zhì)具有中心反演對稱結(jié)構(gòu) 時：E 0氯化

9、鈉型離子晶體在電場作用下將發(fā)生電子、離子位移極化。試解釋溫度對 氯化鈉型離子晶體的介電系數(shù)的影響。對溫度求導(dǎo)得出:1 d rr dT1 2rrLr丄N型9 0 r K dT求溫度對介電系數(shù)的影響，可利用由上式可知，由于電介質(zhì)的密度減小，使得電子位移極化率及離子位移極化率所 貢獻(xiàn)的極化強度都減小，第一項為負(fù)值；但溫度升高又使離子晶體的彈性聯(lián)系減 弱，離子位移極化加強，即第二項為正值；然而第二項又與第一項相差不多。所 以氯化鈉型離子晶體的介電系數(shù)是隨溫度的上升而增加，只是增加得非常慢。試用平板介質(zhì)電容器的模型（串、并聯(lián)形式），計算復(fù)合介質(zhì)的介電系數(shù)（包 括雙組份、多組分）串聯(lián)時:C1C20 1Sd

10、1C20 2Sd20 S di d2d1d1 d2y1d2d1 d2y2可得Y11Y22并聯(lián)時:C1C2C1C20 2Sd20 s d1d2d1d1 d2y1d2d1 d2y2可得1 y1 2y2雙層介質(zhì)在直流電場作用下，其每一層中的電場在電壓接通的瞬間、穩(wěn)態(tài)、 電壓斷開的情況下是如何分布的？作圖表示（注意 、 的大小；電場的方向） 介面上積聚電荷的正、負(fù)取決于 -1、笆的大小,1 2如果J丄積聚正電荷1 2如果丄積聚負(fù)電荷1 2如果二丄不積聚電荷1 2注：如何分析應(yīng)用圖形描述雙層電介質(zhì)的極化過程及其規(guī)律?（1）電勢隨時間和x坐標(biāo)分布示意圖（2）電場強度隨時間分布示意圖（3）界面電荷隨時間分布

11、示意圖（4）極板電荷隨時間分布示意圖（5）各種電流隨時間的分布示意圖18. 一平行板真空電容器，極板上的電荷面密度1.77 10 6C/m2。現(xiàn)充以r 9的介質(zhì)，若極板上的自由電荷保持不變，計算真空和介質(zhì)中的各為多少？束縛電荷產(chǎn)生的場強是多少?真空中：Eo177 10：22.0 105V/m8.85 10 12Do0E01.77 10 6C/mF0介質(zhì)中：E5202.2 104V/mrE601.77 10 C/m1.57 10 6C/m2束縛電荷產(chǎn)生的場強EE0 E 1.78 105V/m2，外接一平行板介質(zhì)電容器，其極間距離 d 1cm,S 10cm2，介電系數(shù)1.5V （靜伏）恒壓電源。求

12、：電容器的電容量 C ;極板上的自由電荷 荷q ;極化強度P ;總電矩；真空時的電場Eo及有效電場Ee。（注：靜伏即靜 電系單位電勢， 10 * 1 2伏特等于盒靜電系單位電勢）電容器的電容量C仝d124&85 1022 10 101.77 10 12F 1.77PF1 10 2極板上的自由電荷q CV 1.7710 121.5 300 7.965 10 10C束縛電荷1 ES8.851210 2 111.5 3004亍 10103.982510 10C極化強度3.982510 7C/總電矩PV (體積)3.9825 10 71 10 2 10 10 43.9825 10 12C m真空時的電

13、場E。Vd有效電場Ee31.5 3004、邊長為10mm、厚度為1mm的方形平板介質(zhì)電容器，其電介質(zhì)的相對介電系 數(shù)為2000,計算相應(yīng)的電容量。若電容器外接 200V電壓，計算：（1）電介質(zhì)中的電場；（2）每個極板上的總電量；（3）儲存在介質(zhì)電容器中的 能量。電容器的電容量C仝d123 28.85 10200010 101 10 31.77 10 12F 1.77 pF(1)電介質(zhì)中的電場E(2)每個極板上的總電量200 532 105V / m1 101 -CV 1.77 10 12 200 21 177 1010C(3)儲存在介質(zhì)電容器中的能量106V / cm左右，試分析在通常可以給介

14、質(zhì)施加的最大電場（不發(fā)生擊穿）為此情況下，室溫時可否使用郎日凡函數(shù)的近似式。給介質(zhì)施加的最大電場（不發(fā)生擊穿）為 106V/cm左右，即E 108V/m，室溫時T 298K ,偶極子固有偶極矩 10 30C m，玻爾茲曼常數(shù)K 1.38 10 23計算得a10 30嚴(yán) 0.024遠(yuǎn)小于1KT 1.38 10 23 298 TOC o 1-5 h z 35當(dāng)a遠(yuǎn)小于1時，La -可以寫成La 03459453 3KT求出雙層介質(zhì)中不發(fā)生空間電荷極化的條件。雙層電介質(zhì)界面積聚的電荷密度為J1 J2 dt 丄亠一V HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 0

15、2小11小212把上式分子、分母同時乘以Ji1得01得1 2J2 dt12d121d2當(dāng)_! 丄時，界面不積聚電荷，不發(fā)生空間電荷極化1 2下面給出極性液體介質(zhì)的翁沙格有效電場表示式如下:Ee試證明：上式已包括了非極性液體介質(zhì)的洛倫茲有效電場的形式。對于非極性液體電介質(zhì)，其0 0，此時分子的總電矩Ee則Ee3 rEN2 r 1E2 r13 o2 r1由于NEe PN EeP0 r 1 E因此Ee3r EN2r10 r 1 E2 r 13 o2 r1N29 r2r1匚r2-E -E3 2 r 13此時的翁沙格有效電場就等于洛倫茲有效電場了。 第二章 電介質(zhì)的損耗具有松弛極化電介質(zhì)，加上電場以后，

16、松弛極化強度與時間的關(guān)系式如何描 述？宏觀上表征出來的是一個什么電流？加上電場以后，松弛極化強度與時間的關(guān)系式Prm 1 et/宏觀上表征出來的是極化電流，只是在加上電壓時才存在的，并且是時間的函數(shù)， 隨時間的增加逐漸衰減最后降低至零。在交變電場作用下，實際電介質(zhì)的介電系數(shù)為什么要用復(fù)介電系數(shù)來描述？ 在交變電場的作用下，由于電場的頻率不同，戒指的種類、所處的溫度不同，介 質(zhì)在電場作用下介電行為也不同。當(dāng)介質(zhì)中存在弛豫極化時，介質(zhì)的電感應(yīng)強度D與電場強度E在時間上有一個顯著的相位差，D將滯后于E。D rE的簡單表達(dá)式不再適用了。并且電容器兩個極板的電位于真實電荷之間產(chǎn)生相位差，對正弦交變電場來

17、說，電容器的充電電流超前電壓的相角小于電容器的計算不能2用C rCo的簡單公式了。在D和E之間存在相位差時，D將滯后于E，存在一相角，就用復(fù)數(shù)來描述D和E的關(guān)系:oE3.介質(zhì)的德拜方程為亠，回答下列問題:1 i（1）（2） 率（3）給出和的頻率關(guān)系式; 做出在一定溫度下的做出在一定頻率下(1)(2)P131 圖 2-16的極值頻率為和 的頻率關(guān)系曲線，并給出 和tan的極值頻的溫度關(guān)系曲線tan的極值頻率為4.依德拜理論，具有單一松弛時間 強度：的極性介質(zhì)，在交流電場作用下，求得極化P P P2X1 X2 /1 iE XE式中：X X1 X2 / 1 i，X1、X2分別為位移極化和轉(zhuǎn)向極化的極

18、化率。試求復(fù)介電系數(shù)的表達(dá)式,tan等于多少？ tan出現(xiàn)最大值的條件，tan max等多少？并做出tan的關(guān)系曲線圖。根據(jù)已知條件:(s )(1 i )1i ( S)1tan(tan )0當(dāng)頻率m時，tanmax如何判斷電介質(zhì)是具有松弛極化的介質(zhì)?由于極化滯后于電場的變化引起的隨 迅速變化以及tan最大值的出現(xiàn)，是具有松弛極化的電介質(zhì)的明顯特征，它可以作為極性電介質(zhì)的判斷依據(jù)。由單一松弛時間的德拜關(guān)系式，可推導(dǎo)出以 做縱坐標(biāo)，做橫坐標(biāo)，圓心為 亠 ,0，半徑為 亠 ，作圖。試2 2求：圖中圓周最高點A和原點O對圓做切線的切點B ；滿足A、B兩點的tan A、 tan B的關(guān)系式。圓中圓周最高

19、點A為 亠 ，仝 ，tan a -22s原點O對圓做切線的切點B為2, S 廠，tan B -S- SS2J S某介質(zhì)的s 10,2,10 根據(jù)德拜理論，請用圖描述在不同的溫度下,P134的圖 2-18 根據(jù)德拜理論，在溫度為已知函數(shù)情況下， 且作圖。P131 的圖 2-16 什么是德拜函數(shù)，做出德拜函數(shù)圖。s，請畫出lg關(guān)系曲線，標(biāo)出峰值位置，max等于多少？lg關(guān)系曲線下的面積是多少？maxlg 關(guān)系曲線下的面積Sd(lg )dln10因為所以SIn 10(12 2)S 0ln10arcta nSIn10 210 8In10、tan與頻率相關(guān)性、tan與頻率的關(guān)系如何?德拜函數(shù)為、SS函數(shù)

20、圖參照P129的圖2-153。請寫出其的關(guān)系式，畫在單 的情況下，某一介質(zhì)的S 12,出 Cole Cole 圖。7.54.5 2Cole Cole 圖參照 P132的圖 2-1712.分析實際電介質(zhì)中的損耗角正切tanT之間的關(guān)系?tan 0 rA B/T 2 e E0 r(1)低溫區(qū)，1 , tan正比于等效電導(dǎo)率g隨溫度指數(shù)式地上升tan 旦仝0反常分散區(qū)，溫度繼續(xù)升高，下降到 1,1，P出現(xiàn)一最大值，tan令晉口 0，則S 1時，tan出現(xiàn)峰值隨溫度升高，損耗角正切逐漸下降至最小值隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律上升高溫區(qū)，溫度繼續(xù)升高，使1，tan為什么在工程技術(shù)中表征電介質(zhì)的介質(zhì)損耗時不用損

21、耗功率W，而用損耗正切角tan ?為何實際測量中得到的tan 關(guān)系曲線中往往沒有峰值出現(xiàn)？ 且作圖表示。損耗功率W，而用損耗正切角tan相比，tan可以直接用儀表測量。如果介質(zhì)中電導(dǎo)損耗比較大，松弛極化損耗相對來說比較小，以致松弛極化的特 征可能被電導(dǎo)損耗的特性所掩蓋。隨著電導(dǎo)損耗的增加，tan的頻率、溫度特性曲線中的峰值將變得平緩，甚至看不到峰值的出現(xiàn)。圖 p122的圖2-12 (a)用什么方法可以確定極性介質(zhì)的松弛時間是分布函數(shù)？測量介質(zhì)在整個頻段(從低頻到高頻)的介電系數(shù)及損耗，作出與 的關(guān)系曲線圖。根據(jù)其圖的圖型與標(biāo)準(zhǔn)的 Cole Cole圖相比較，即可判斷。為何在電子元器件的檢測時，

22、要規(guī)定檢測的條件？因為電子元器件的參數(shù)，如、tan 、等都與外場頻率、環(huán)境溫度條件有關(guān)。所以在檢測時要說明一定的檢測條件。 第三章電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿畫出并分析氣體介質(zhì)的伏-安特性曲線。P147 的圖 3-2曲線分為三部分第I部分：當(dāng)電場很弱時，電流密度隨電場強度的增加正比例地上升第U部分：電流密度不再因電場強度的增加而改變，達(dá)到飽和第川部分：電流密度再次因電場強度的增加而上升， 最后當(dāng)電場強度達(dá)到某一臨 界值Em,電流密度J無限地增大，氣體的絕緣性能喪失，介質(zhì)被擊穿。根據(jù)電流倍增效應(yīng)計算模型作圖，推導(dǎo)在外界電離因素作用下，氣體介質(zhì)產(chǎn)生 碰撞電離，到達(dá)陽極時的電流密度 J是多少？P152 的圖

23、3-4設(shè)由于外界電離因素的作用，陰極每秒鐘1cm2面積上產(chǎn)生n0個電子。在電場作用下，這些電子向陽極運動。若這些電子運動時兩次碰撞之間積累的能量大于氣 體分子的電離能，則將發(fā)生碰撞電離，使電子總數(shù)增加。假設(shè)每秒鐘穿過距陰極x處的平面，1cm2面積上的電子數(shù)為n，并設(shè)每個電子走過1cm距離后，發(fā)生 次電離， 為電離系數(shù)。那么當(dāng)電子繼續(xù)走過行程 dx 后, 每個電子經(jīng)過碰撞電離，便要產(chǎn)生dx個電子。因此n個電子在行程dx上碰撞電 離產(chǎn)生的增加電子數(shù)為dn n dx，將上式積分得：n Ae x，式中A為積分常數(shù)。應(yīng)用邊界條件，當(dāng)x 0時，n no，因此A n。，則n ne x到達(dá)陽極的電子數(shù)na n

24、oe d，式中d為電極間距離。每秒鐘穿過1cm2面積的電子數(shù)與電子所帶電荷的乘積，即是電流密度:J enadeneJoe什么是電暈放電、刷形放電、飛弧？在均勻電場和不均勻電場中這幾種放電現(xiàn) 象有何不同？在不均勻電場中（實際上器件中電場分布大都是這種情況），當(dāng)器件中某一區(qū)域 的電壓達(dá)到起始游離電壓值時，首先在這一區(qū)域出現(xiàn)淡紫色的輝光一一電暈， 形 成一穩(wěn)定的區(qū)域放電；電壓進(jìn)一步提高，電暈變成刷形放電，形成幾道明亮的光 束，呈現(xiàn)出來的是樹枝狀的火花放電， 但這時放電還未達(dá)到對面電極，只是光束 的位置不斷地改變；電壓再升高，樹枝狀的火花閃電般地到達(dá)對面電極， 形成貫 穿電極間的飛弧，這樣就導(dǎo)致了氣體

25、電介質(zhì)最后被擊穿。在均勻電場中，電暈、刷形放電、飛弧幾乎同時發(fā)生，所以一出現(xiàn)電暈，氣體電 介質(zhì)很快就被擊穿了。在不均勻電場中，當(dāng)極間距離很小時，放電的最后兩個階 段也分辨不出來，只是在大距離的情況下能分別開來。在針尖對平板的不均勻電場中，氣體介質(zhì)擊穿時，為什么負(fù)針極比正針極的擊 穿電壓高？當(dāng)針尖為正時，正的空間電荷削弱了針尖附近的電場， 加強了正空間電荷到極板 之間的弱電場。這種情況相當(dāng)于高電場區(qū)從針尖移向板極， 像是正電極向負(fù)電極 延伸了一段距離，因此擊穿電壓比針尖為負(fù)時低。當(dāng)針尖為負(fù)時，正空間電荷包圍了針電極，加強了針尖附近的電場，而削弱了正 空間電荷到極板之間的電場，使極板附近原來就比較

26、弱的電場更加減弱了， 像是 增加了針尖的曲率半徑，電極板間的距離雖然縮短了一些， 但電場卻均勻了，因 此負(fù)針-板電極的擊穿電壓高于正針-板的擊穿電壓。詳細(xì)分析氣體介質(zhì)的碰撞電離理論 （湯遜理論）。如何理解氣體介質(zhì)發(fā)生自持 放電的條件？設(shè)任意時刻從陰極單位面積單位時間發(fā)射的電子數(shù)：nc n0 n陰極出發(fā)的nc個電子，至U達(dá)陽極時將成為na個電子：na ncead而電極間因碰撞電離產(chǎn)生的正離子數(shù)， 將比到達(dá)陽極的電子數(shù)少nc個，所以到達(dá)陰極的正離子數(shù)為nc ead1。每個正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生個電子，因此ad /n nc e 1將上式代入式得,ncnonn。(ead 1)%n。ad(e 1)再將上

27、式代入式得naadnoead1 e所以電流密度為由一個電子碰撞電離所產(chǎn)生的正離子, 還不足以釋放出一個電子，1 ead當(dāng)電場還不是很強時,ed1 （ead 1）撞擊陰極表面時,10。由于計及了正離子的影響，電流密度依式所得的指比式J Joead所得的大，但氣體電介質(zhì)并沒有擊穿。這是去掉外界電離因素，Jo 0，氣體中的放電也就停止了。電場增強了以后，將使得1 ead 10也就是ead 11。這時，即使除去外界電離因素，由于還存在著正離子撞擊陰極時釋放出來的電子， 這電子恰好代替 了在外界電離因素作用下由陰極出發(fā)的那一個電子。 因此，即使取消了外界電離 因素的作用，而放電強度依然維持不變，這就形成

28、了氣體電介質(zhì)的自持放電。ead 11即氣體電介質(zhì)自持放電的條件。但是，實際上外界電離因素總是存在的，因而由外界電離因素和正離子撞擊陰極表面共同作用產(chǎn)生的放電電流將不斷 地增加，直至氣體電介質(zhì)完全擊穿。氣體介質(zhì)的碰撞電離系數(shù) 、表面電離系數(shù) 的物理意義是什么？ 碰撞電離系數(shù)：每個正離子運動單位長度與氣體質(zhì)點碰撞所產(chǎn)生的電子數(shù)（課本里的）表面電離系數(shù)：每個正離子碰撞陰極表面時從陰極溢出的電子數(shù)（課本里的）氣體介質(zhì)自持放電的條件是什么？請用文字?jǐn)⑹觥怏w介質(zhì)自持放電的條件是：出去外界電離因素，正離子撞擊陰極時釋放出來的 電子恰好代替了外界電離因素作用下由陰極出發(fā)的那一個電子，使放電強度維持不變。依氣

29、體介質(zhì)的碰撞電離理論，要使氣體分子電離必須滿足什么條件？當(dāng)荷電量為e的電子在電場E的作用下移動x距離而未與分子碰撞時，電子積累 的能量為eEx。要使電子分離，必須使eEx1 eU。式中，U為氣體分子的電離 電位；eU為氣體分子的電離能。當(dāng)& U，氣體分子才能電離。推導(dǎo)巴申定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并敘述巴申定律的應(yīng)用。由氣體分子動理論得知，平均自由行程 是連續(xù)兩次碰撞之后所經(jīng)過的距離，-則表示電子行程1cm時所發(fā)生的碰撞次數(shù)。而電子的行程大于和等于為的幾率，根據(jù)玻爾茲曼的統(tǒng)計分布為e 。所以在1cm行程的丄次碰撞中，能產(chǎn)生碰撞電X1離的次數(shù)為-一，也就是1 1善 e e E當(dāng)溫度一定時，平均自由行程與

30、大氣壓力P成反比：- AP，式中，A為比UAPU例系數(shù)。為此APe才 APe ，若令A(yù)U B，B也是系數(shù)。于是上式寫成BPAPe巨1根據(jù) ead 1 1并取對數(shù)，可得In 1 ad竺1將式代入式，且注意到 V Emd，則APde E In 1 -，Vm通過對上式取對數(shù)、運算，可得氣體電介質(zhì)的擊穿電壓為BPd /InAPdIn 1簡記為Vm F P d巴申定律可用于定量計算擊穿電壓 Vm固體電介質(zhì)中，導(dǎo)電載流子有哪幾種類型？說明其對電導(dǎo)的影響及與溫度的 關(guān)系。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)按導(dǎo)電載流子的不同類型可以分為兩類：離子電導(dǎo)（本征離子電導(dǎo)、弱聯(lián)系離子電導(dǎo)）和電子電導(dǎo)。在弱電場中主要是離子電導(dǎo)，但是對于

31、某些材料，如鈦酸鋇、鈦酸鈣和鈦酸鍶等 鈦酸鹽類，在常溫下除了離子電導(dǎo)以外還會呈現(xiàn)出電子電導(dǎo)的特征。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系式為AeB/T，或者 代七。式中：（是溫度為0C時的電導(dǎo)率，A為比例系數(shù)，B U，U為激活能量，k為玻爾茲 k曼常數(shù)，T為絕對溫度，為電導(dǎo)率的溫度系數(shù)，一鷲，t為攝氏溫度。據(jù)273以上關(guān)系式，給出計算導(dǎo)電載流子的激活能 U的方法，并作出簡圖。由關(guān)系式BbAe B/T兩邊取對數(shù)有InA ， lgA IgeTT電導(dǎo)率A 1eB/T，兩邊取對數(shù)有l(wèi)gA lge根據(jù)所測得的電阻率和測試溫度T，作出lg和1的關(guān)系曲線圖，計算出直線的斜率Blge，即可求出激活能U 。kboe t

32、，lg lg o tlge， Ige k，2， B 2732lg e273因此U Bk離子位移極化、熱離子松弛極化、離子電導(dǎo)的區(qū)別在哪幾方面？熱離子松弛極化與離子電導(dǎo)的區(qū)別：a）遷移距離：離子電導(dǎo)是離子作遠(yuǎn)程遷移，而離子松弛極化質(zhì)點僅作有限距離的 遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動；b）勢壘高度：離子松弛極化所需克服的勢壘低于離子電導(dǎo)勢壘， 離子參加極化的 幾率遠(yuǎn)大于參加電導(dǎo)的幾率。離子位移極化與熱離子松弛極化的區(qū)別：位移極化：彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量；松弛極化：完成極化需要一定的時間，是非彈性的，消耗一定的能量，與熱運動 有關(guān)。固體電介質(zhì)的熱擊穿的原因是什么？固體電介質(zhì)熱擊穿

33、電壓與哪些因素有 關(guān)？關(guān)系如何？如何提高固體電介質(zhì)的熱擊穿電壓？固體電介質(zhì)的熱擊穿的原因：電介質(zhì)在電場作用下要產(chǎn)生介質(zhì)損耗， 這一部分損 耗以熱的形式消耗掉。若這部分熱量全部由電介質(zhì)中散入周圍媒質(zhì)， 那么在一定 的電場作用下，每一瞬間都保持電介質(zhì)對外界媒質(zhì)的熱平衡。 當(dāng)外加電場增加到 某一臨界值時，通過電介質(zhì)的電流增加，電介質(zhì)的發(fā)熱量急劇增大。如果發(fā)熱量 大于電介質(zhì)向外界散發(fā)出的熱量，則電介質(zhì)的溫度不斷上升，溫度的上升又導(dǎo)致 電導(dǎo)率的增加，流經(jīng)電介質(zhì)的電流亦增加，損耗加大，發(fā)熱量更加大于散熱量。 如此惡性循環(huán)，直至電介質(zhì)發(fā)生熱破壞，使電介質(zhì)失去其原有的絕緣性能。固體電介質(zhì)熱擊穿電壓與電介質(zhì)的厚

34、度、溫度、頻率有關(guān)。擊穿電壓與電介質(zhì)的厚度的關(guān)系：當(dāng)厚度較小時，隨厚度的增加，擊穿場強迅 速降低，當(dāng)厚度較大時，厚度的增加對場強影響不大（擊穿電壓隨厚度的增加而 線性地增長）擊穿電壓與溫度的關(guān)系：隨溫度的增長，熱擊穿電壓呈指數(shù)曲線下降（對數(shù)坐 標(biāo)圖上線性關(guān)系），與電阻率隨溫度變化的定性關(guān)系一致。擊穿電壓與頻率的關(guān)系：當(dāng)頻率增加，極化損耗增加，熱擊穿電壓降低。提高固體電介質(zhì)的熱擊穿電壓可用以下方法： 選取電阻率大的電介質(zhì)；選取 介質(zhì)損耗小的電介質(zhì)；選取耐熱和導(dǎo)熱性能優(yōu)良的電介質(zhì)； 采取強化散熱措 施，如加大電極的散熱面積，涂敷輻射系數(shù)大的顏色等。根據(jù)瓦格納的熱擊穿電壓的計算公式，解釋能否利用增加

35、介質(zhì)的厚度來提高 固體電介質(zhì)的熱擊穿電壓，為什么？簡要敘述瓦格納的熱擊穿理論；瓦格納的熱擊穿理論的實用性如何？假設(shè)固體介質(zhì)置于兩個平板電極之間，該介質(zhì)有一處或幾處的電阻比其周圍小得 多，構(gòu)成電介質(zhì)中的低阻導(dǎo)電通道，當(dāng)在平板電極間加上一電壓后，則電流主要 集中在這導(dǎo)電通道內(nèi)，則此導(dǎo)電通道由于電流通過二產(chǎn)生大量的熱量， 如果發(fā)熱 量大于散熱量，導(dǎo)電通道的溫度降不斷上升，導(dǎo)致熱擊穿，稱為瓦格納熱擊穿理 論。瓦格納熱擊穿理論的最大不足在于：其假設(shè)的通道的電導(dǎo)率要比周圍的電介質(zhì)的 電導(dǎo)率大得多才能成立，然而，對于均勻的電介質(zhì)來說，理論的假設(shè)不夠充分； 有關(guān)通道的本質(zhì)、大小、電導(dǎo)率和散熱系數(shù)的熱量關(guān)系，用

36、實驗的方法難以獲得。 因此，瓦格納熱擊穿理論只能定性地給熱擊穿一個概念。固體介質(zhì)的擊穿有哪幾種類型？與氣體介質(zhì)相比有何不同？固體介質(zhì)的擊穿有三類：熱擊穿電擊穿電化學(xué)擊穿與氣體介質(zhì)相比：固體介質(zhì)的擊穿場強較高，但固體介質(zhì)擊穿后在材料中留下 不能恢復(fù)的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等，即使去掉外加電壓，也不像氣 體一樣能自行恢復(fù)。組成固體的原子（包括離子成分子）不像在氣體中那樣作任意的布朗運動。而只 能在自己的平衡位置（晶格節(jié)點）附近作微小的熱振動。固體中相鄰粒子間的熱振 動總互相關(guān)聯(lián)的，形成具有一系列頻率的晶格波。固體原子的彼此接近改變了單個原子的核外電子分布， 單個原于中的分立電子 能級變成能

37、帶，處在滿帶的電子相當(dāng)于束縛電子，處于導(dǎo)帶中的電子則可以看成 是具有有效質(zhì)量為 m*的自由電子，當(dāng)滿帶電子得到足夠的能量而越過禁帶時，就分發(fā)生電離離，因此禁帶能量就相當(dāng)于電子的電離能。與氣體小電子和分子等的碰撞相類似的過程是固體中電子與晶格波的相互作用，在這種相互作用，可以是電子失去能量而被制動，也可以是電子從晶格波得 到能量而進(jìn)一加速，但在低場強度時，平均作用是電子的制動，只有外電場很強 時，電子才可以獲得引起碰撞電離的能量。什么是固體介質(zhì)在空氣中的沿面放電？沿面放電有何特點和危害？如何防止高壓、大功率的電子陶瓷器件在空氣中的沿面放電？固體電介質(zhì)表面電場不均勻（由于表面不均勻）導(dǎo)致局部表面空

38、氣被擊穿，稱為 沿面放電。沿面放電的特點：沿面放電電壓低于氣體的放電電壓。 沿面放電電壓與固體 電介質(zhì)的表面狀態(tài)有關(guān)，如吸潮、污染等。交流電壓下的沿面放電電壓比直流 下的低。沿面放電電壓與電極的布置、形狀有關(guān)。沿面放電的危害：導(dǎo)致器件表面產(chǎn)生火花，之后不能正常使用為了防止器件沿面放電，固體電介質(zhì)表面的清潔、干燥十分重要，對特殊結(jié)構(gòu)的 器件，有采用灌封以保證電極清潔不吸潮的方法。為了提高器件的沿面放電電壓， 還必須改變電極形狀，使它圓滑，消除電場的集中，如用半球圓槽圍邊、加厚電 介質(zhì)的邊沿、延長放電距離等，這一類方法在電子陶瓷高壓器件中得到了廣泛應(yīng) 用。固體電介質(zhì)的體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)有和區(qū)別？體

39、積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率用數(shù) 學(xué)式如何描述？電介質(zhì)的體積電導(dǎo)是電介質(zhì)的一個物理特性參數(shù)，主要取決于電介質(zhì)本身的組 成、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)含量及電介質(zhì)所處的工作條件（如溫度、氣壓、輻射等）。這種體積電導(dǎo)電流流經(jīng)整個電介質(zhì)。電介質(zhì)的表面電導(dǎo)不僅與電介質(zhì)本身的性質(zhì)有 關(guān)，而且還與周圍的環(huán)境溫度、濕度、表面結(jié)構(gòu)以及形狀、表面沾污等情況密切 相關(guān)。體積電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率用數(shù)學(xué)式可描述為Nq固體電介質(zhì)的電導(dǎo)主要有哪幾種類型。其電導(dǎo)率與溫度關(guān)系如何？ 固體電介質(zhì)的電導(dǎo)按導(dǎo)電載流子種類可以分為離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)兩種。在弱電場下，主要是離子電導(dǎo)。根據(jù)離子來源有：本征離子和弱束縛離子。B1B2電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可表示為：Ae

40、 T A2e第一項表示本征離子電導(dǎo)，第二項表示弱系離子電導(dǎo)。由于弱系離子濃度比本征離子濃度小得多，一般A a2, B! b2電旦低溫時以弱系離子電導(dǎo)為主A2e高溫時以本征離子電導(dǎo)為主Ae強電場中主要是電子電導(dǎo)，也有本征載流子和非本征載流子之分， 主要是本征載 流子，電子電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可表達(dá)成：Aee肓試用能帶理論解釋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的導(dǎo)電性質(zhì)。固體電介質(zhì)中產(chǎn)生導(dǎo)電電子的機構(gòu)有哪些？上圖a表示電子全部充滿到某個能帶，而其上面的能帶則完全空著，沒有電子。 填滿電子的能帶稱為滿帶，完全沒有電子的能帶稱為空帶，具有這種能帶結(jié)構(gòu)的 固體通常稱為絕緣體。上圖b表示滿帶上面的能帶不是全部空著而是有一

41、部分能級被電子填充， 這樣的 固體稱為導(dǎo)體。圖c所示的能帶結(jié)構(gòu)的固體也稱為導(dǎo)體，因為這時能帶結(jié)構(gòu)中最 上面的能帶和其上面的空帶部分重疊， 沒有禁帶，當(dāng)加上電場時，滿帶上部的電 子便可向重疊的空帶移動從而產(chǎn)生電流。有些固體在純凈的狀態(tài)下是半導(dǎo)體，它們能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相同，不過禁帶的寬 度較窄，如圖d所示，因而在滿帶中的部分電子，在某一溫度下，受熱運動的影 響，能夠被激發(fā)而越過禁帶，進(jìn)入到上面的空帶中去而成為自由電子， 產(chǎn)生導(dǎo)電 性。固體電介質(zhì)中產(chǎn)生電子電導(dǎo)的三種機構(gòu)：（1）本征激發(fā)：從價帶躍遷到導(dǎo)帶，隨溫度呈指數(shù)增長關(guān)系，一般電介質(zhì)在常 溫下其電導(dǎo)率可忽略（2）隧道效應(yīng)：當(dāng)電場較強時，電子則可能

42、通過隧道效應(yīng)穿過勢壘后到達(dá)導(dǎo)帶 或陽極而形成電子電導(dǎo)。包括的隧道效應(yīng)有：陰極一導(dǎo)帶，電介質(zhì)價帶-陽極， 電介質(zhì)價帶一導(dǎo)帶，雜質(zhì)能級一導(dǎo)帶。強電場作用下比較明顯。（3）雜質(zhì)電離：實際電子電導(dǎo)的主流直徑為10mm、厚度為1mm的介質(zhì)電容器，其電容為2000 pF，損耗角正切為0.02。計算：電介質(zhì)的相對介電系數(shù)；損耗因子tan ;在交變電壓的頻率為50Hz、50MHz時的交流電導(dǎo)；外加10V、1kHz正弦電壓時的泄漏電流。50 Hz 時,tan122 3.14 50 8.85 1028770.021.26 10 7S電介質(zhì)的相對介電系數(shù)：123Cd2000 101012628 7 7S 8.85

43、1012 3.14 25 10 6損耗因子tan28770.0257.54交流電導(dǎo)50MHz 時,0 tan3.146 1250 108.85 102877 0.021.26110 1s交流電導(dǎo)外加10V、1kHz正弦電壓時的泄漏電流如何用氣體介質(zhì)的碰撞電離理論解釋固體介質(zhì)中的電擊穿？固體介質(zhì)發(fā)生電 擊穿的判斷依據(jù)是什么？固體電介質(zhì)的電擊穿理論是建立在氣體電介質(zhì)的碰撞電離理論上的。所以，可以用氣體中發(fā)生電子碰撞游離來推斷固體電介質(zhì)的擊穿場強。固體介質(zhì)發(fā)生電擊穿的判斷依據(jù)是電子從電場獲得的能量速率大于電子與晶格 碰撞消耗的能量速率。純晶體電擊穿和含雜晶體電擊穿有何不同？擊穿電壓與溫度關(guān)系如何？當(dāng)含有微量雜質(zhì)時，低溫區(qū)的擊穿場強提高；雜質(zhì)含量比增加時，臨界溫度將降 低。流經(jīng)介質(zhì)電容器的電流是由哪幾部分組成的？第四章鐵電晶體鐵電晶體是指哪一類型的晶體？電疇的概念是什么？晶體在沒有外加電場作用下，正負(fù)電荷重心不重合而呈現(xiàn)電偶極矩的現(xiàn)象稱為晶 體電介質(zhì)自發(fā)極化