材料的介電性能課件

第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能課件電介質(zhì)是在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物質(zhì)。電介質(zhì)對電場的響應(yīng)特性不同于金屬導(dǎo)體。金屬的特點是電子的共有化，體內(nèi)有自由載流子，這樣就決定了金屬具有良好的導(dǎo)電性，它們以傳導(dǎo)的方式來傳遞電的作用和影響。然而，在電介質(zhì)體內(nèi)，一般情況下，只具有被束縛的電荷，在電場的作用下將不能以傳導(dǎo)的方式而只是以感應(yīng)的方式，即以其中正、負電荷受電場驅(qū)使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電的影響。電介質(zhì)是在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少的功能材料，在工程應(yīng)用中，常在需要將電路中具有不同電位的導(dǎo)體彼此隔開的地方使用，就是利用介質(zhì)的絕緣特性，也就是應(yīng)用材料的介電性能。這一類材料總稱為電介質(zhì)。比較常見的介電材料是電容器介質(zhì)材料、壓電材料等。絕緣材料和介電材料都是高電阻率材料，但兩者是有區(qū)別的，好的介電材料一定是好的絕緣材料，但好的絕緣材料就不一定是好的介電材料了。介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少電介質(zhì)的分類（1）按物質(zhì)組成特性：無機電介質(zhì)（如云母、玻璃、陶瓷等）有機電介質(zhì)（如礦物油、紙、有機高分子聚合物等）（2）按物質(zhì)的聚集態(tài)：氣體介質(zhì)（空氣）液體介質(zhì)（電容器油）固體介質(zhì)（滌綸薄膜）電介質(zhì)的分類（3）按物質(zhì)原子排列的有序化：晶體電介質(zhì)（石英晶體）－長程有序非晶態(tài)電介質(zhì)（玻璃塑料）－短程有序（4）工程應(yīng)用：極性電介質(zhì)（纖維素、聚氯乙烯薄膜）中性電介質(zhì)（變壓器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均勻度：均勻電介質(zhì)（聚苯乙烯）非均勻電介質(zhì)（電容器紙－聚苯乙烯薄膜復(fù)合介質(zhì)）（3）按物質(zhì)原子排列的有序化：分類研究電介質(zhì)，有利于將電介質(zhì)性能的研究，統(tǒng)一在某一種物質(zhì)共同屬性的基礎(chǔ)之上，以便總結(jié)出宏觀介電性能與微觀材料結(jié)構(gòu)、組成之間相互關(guān)聯(lián)的規(guī)律。分類研究電介質(zhì)，有利于將電介質(zhì)性能的研究，統(tǒng)一電介質(zhì)物理主要研究：電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿特性。（1）介電常數(shù)（電極化）—指以電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用。

（2）電導(dǎo)—指電介質(zhì)在電場作用下存在泄漏電流。

（3）介電損耗—指電介質(zhì)在電場作用下存在電能的損耗。

（4）擊穿—指在強電場下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。電介質(zhì)物理主要研究：電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿特性。（1四個基本特性各有其基本理論。電介質(zhì)理論包括：

（1）電極化響應(yīng)理論（2）電介質(zhì)中電荷轉(zhuǎn)移、電導(dǎo)和電擊穿理論（3）唯象理論：（用電介質(zhì)的特征函數(shù)描述）從物理學的角度論述與介電有關(guān)的各種效應(yīng)，建立統(tǒng)一的唯象理論—熱力學唯象理論（建立各種宏觀物理量之間的關(guān)系）

（4）微觀理論：主要介紹晶格振動和聲子統(tǒng)計方面的知識。

（5）鐵電理論：在下一章中講。四個基本特性各有其基本理論。電介質(zhì)理論包括：電極化響應(yīng)理論包括：

（a）恒定電場中電介質(zhì)的電極化，電極化的微觀機制；

（b）洛倫茲的有效場；

（c）變動電場中電介質(zhì)的行為（即介電損耗）；

（d）介電馳豫；

（e）諧振吸收和色散；

（f）電極化的非線性效應(yīng)等。電極化響應(yīng)理論包括：電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程：（極化的機制）

（1）材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生電子極化（電子位移極化）；（2）分子中正、負離子相對位移造成離子極化（離子位移極化）；

（3）分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程：（極化的機制）1、電子位移極化

在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移。這種極化稱為電子位移極化。1、電子位移極化在沒有外電場作用的時候，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負電荷中心重合，即電矩等于零，對外呈中性。在電場作用下，正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移（電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程），中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，從而產(chǎn)生了電子位移極化或電子形變極化，如圖5.1所示。圖5.1電子云位移極化示意圖(a)E=0(b)E≠0在沒有外電場作用的時候，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負電荷中電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中，具有如下特點：（1）形成極化所需時間極短（因電子質(zhì)量極?。s10-15s，故其不隨頻率變化；（2）具有彈性，撤去外場正負電荷中心重合，沒有能量損耗；（3）溫度對其影響不大，溫度升高，略為下降，具有不大的負溫度系數(shù)。電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中，具有如下特點：2、離子位移極化在離子晶體和玻璃等無機電介質(zhì)中，正、負離子處于平衡狀態(tài)，其偶極矩的矢量和為零。但這些離子，在電場作用下，除了離子內(nèi)部產(chǎn)生電子位移極化外，離子本身將發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動負離子沿反電場方向移動，正、負離子發(fā)生相對位移，形成感應(yīng)偶極矩。這就是離子位移的極化。也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長，例如堿鹵化物晶體就是如此。圖5.2所示是位移極化的簡化模型。2、離子位移極化圖5.2離子極化示意圖

圖5.2離子極化示意圖離子位移極化主要存在于具有離子晶體中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特點：（1）形成極化所需的時間極短，約10-13s，故一般可以認為與頻率無關(guān)；（2）屬彈性極化，幾乎沒有能量損耗；（3）溫度升高時離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加，但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低，通常前一種因素影響較大，故一般具有正的溫度系數(shù)。即溫度升高，極化程度有增強的趨勢。離子位移極化主要存在于具有離子晶體中，如云母、陶瓷材料等，它3、固有電矩的轉(zhuǎn)向極化

電介質(zhì)中的電偶極子的產(chǎn)生有兩種機制：一是產(chǎn)生于“感應(yīng)電矩”，二是產(chǎn)生于“固有電矩”。前者是在電場的作用下，才會產(chǎn)生，如電子位移極化和離子位移極化；后者存在于極性電介質(zhì)中，本身分子中存在不對稱性，具有非零的恒定偶極矩，沒有外電場作用時，在固體中雜亂無章地排列，宏觀上顯示不出它的帶電特征；如果將該系統(tǒng)放入外電場中，固有電矩將沿電場方向取向的過程被稱為取向極化或轉(zhuǎn)向極化。3、固有電矩的轉(zhuǎn)向極化固有電矩的取向極化具有如下特點：（1）極化是非彈性的；（2）形成極化需要的時間較長，為10-10～10-2s，故其與頻率有較大關(guān)系，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)動，因而其減??；（3）溫度對極性介質(zhì)的有很大影響，溫度高時，分子熱運動劇烈，妨礙它們沿電場方向取向，使極化減弱，故極性氣體介質(zhì)常具有負的溫度系數(shù)，但對極性液體、固體的在低溫下先隨溫度的升高而增加，當熱運動變得較強烈時，又隨溫度的上升而減小。固有電矩的取向極化具有如下特點：取向極化的機理可以應(yīng)用于離子晶體介質(zhì)中，帶有正、負電荷的成對的晶格缺陷所組成的離子晶體中“偶極子”，在外電場作用下也可發(fā)生取向極化。在氣體、液體和理想的完整晶體中，經(jīng)常存在的微觀極化機制是電子位移極化、離子位移極化和固有電矩的取向極化。在非晶態(tài)固體、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶體中，還會存在其他更為復(fù)雜的微觀極化機制。例如：空間電荷極化、松弛極化和自發(fā)極化等。取向極化的機理可以應(yīng)用于離子晶體介質(zhì)中，帶有正、空間電荷極化：

在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起空間電荷的正負電荷質(zhì)點極化，這種極化叫作空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成為自由電荷運動的障礙，在這些障礙處，自由電荷積聚，也形成空間電荷極化

空間電荷極化的特點：①時間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的升高而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時因空間電荷來不及移動，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。空間電荷極化：實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成松弛極化

弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使其分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，在電場作用占主導(dǎo)時則發(fā)生極化，叫作熱松馳極化。

松馳極化的特點：松馳極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。松弛極化

弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運自發(fā)極化晶體中每一個晶胞都存在固有的偶極矩，極化不需要電場，且極化方向可隨外電場方向不同而反轉(zhuǎn)——鐵電體自發(fā)極化各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有各種極化形式的比較極化形式極第五章材料的介電性能課件影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系影響介電常數(shù)的因素：材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作用時，要經(jīng)過一段時間后，極化強度才能達到相應(yīng)的數(shù)值，這個現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時間稱為弛豫時間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時間很短，取向極化的弛豫時間較長，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作極化強度的建立位移極化強度P0

是瞬時建立的，與時間無關(guān)。松弛極化Pr強度與時間的關(guān)系比較復(fù)雜。極化強度的建立位移極化強度P0是瞬時建立的，與時間無材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)介電損耗—電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運動。實質(zhì)相當于交流、直流電流流過電阻做功，一切實用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場作用下，都會發(fā)生漏導(dǎo)損耗。介電損耗—電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當外電場頻率很低，即ω→0時，各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達到最大，而不造成損耗；②當外電場頻率逐漸升高時，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時松弛極化對介電常數(shù)的貢獻減小，使ω隨頻率升高而顯著下降，同時產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當ω→∞時，損耗達到最大；③當外電場頻率達到很高時，松弛極化來不及建立，對介電常數(shù)無貢獻，介電常數(shù)僅由位移極化決定，ω→0時，tanδ→∞，此時無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化損耗由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外電場的頻率等于晶格振動光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。介電損耗—共振吸收損耗對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜，不做要求介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜，不做要求材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的主要形式是電導(dǎo)損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的1）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們在外電場強度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。

當固態(tài)絕緣物中含有氣孔時，由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也比固態(tài)小，必須盡量減小介質(zhì)中的氣孔。

材料的介電損耗1）電離損耗材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。實驗表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗材料的介電損耗固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)理想的電介質(zhì)，在外電場作用下應(yīng)該是沒有傳導(dǎo)電流的。實際的電介質(zhì)，或多或少地具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點。無外電場，熱運動。有外電場，定向漂移。正電荷順電場方向移動，負電荷逆電場方向移動，形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)如圖所示，實際電容器的電流I超前于電壓的相角恒小于Л

/2，故可將電流I分為兩個分量，I1恰好超前電壓Л/2（這部分電流不損耗功率，稱為無功電流）。而I2則與電壓同相（這部分電流消耗功率，稱為有功電流）可寫成：I2=gV式中g(shù)稱為介質(zhì)的電導(dǎo)。圖5.4電容器中介質(zhì)損耗對電流與電壓位相關(guān)系的影響如圖所示，實際電容器的電流I超前于電這個電導(dǎo)并不一定代表由于載流子遷移而產(chǎn)生的直流電導(dǎo)，而是代表介質(zhì)中存在有損耗機制，使電容器上的能量部分地消耗為熱的物理過程。這個電導(dǎo)并不一定代表由于載流子遷移而產(chǎn)生的直流電導(dǎo)，而是代表盡管電介質(zhì)從其本意來看應(yīng)該是完全不導(dǎo)電的，或者說，其電阻率應(yīng)該是無限大的。然而實際上所有電介質(zhì)在直流電壓作用下總會有微弱的電流流過（漏電電流）同體電介質(zhì)的漏導(dǎo)電流I包含了兩個組成部分，流過電介質(zhì)體內(nèi)的電流Iv和沿著電介質(zhì)表面流動的電流Is，并有I=Iv+Is，如圖5.8所示。盡管電介質(zhì)從其本意來看應(yīng)該是完全不導(dǎo)電的，或者說，其電阻率應(yīng)表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）固體電介質(zhì)電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）42固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)的載流子：電子和空穴理想晶體—電子電導(dǎo)非常微弱實際晶體，雜質(zhì)的存在—電子電導(dǎo)較大隧道效應(yīng)固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)的載流子：電子和空穴隧道效應(yīng)大部分固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導(dǎo)電的電子（或空穴）也是從各種不同的電離中心經(jīng)過熱激發(fā)而產(chǎn)生的，并且，對于過渡元素金屬氧化物，通常它的活化能都比較小，載流子數(shù)又多，所以，在低溫和室溫下，電子電導(dǎo)常起主要作用。大部分固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導(dǎo)電的固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)載流子：正、負離子或離子空位固體電介質(zhì)按其結(jié)構(gòu)可分為：晶體非晶體無機電介質(zhì)和高分子非晶材料的高聚物固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)載流子：正、負離子或離子空位無機電介質(zhì)和固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)導(dǎo)電離子來源本征離子弱聯(lián)系離子熱缺陷在離子晶體中，考慮到它的本征電導(dǎo)和弱聯(lián)系電導(dǎo)時，σ隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成離子活化固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)熱缺陷在固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃與晶體的比較，玻璃具有：結(jié)構(gòu)疏松組成中有堿金屬離子勢壘不是單一的數(shù)值，有高有低。導(dǎo)電的粒子：離子電子固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，堿金屬離子填充在玻璃結(jié)構(gòu)的松散處，電導(dǎo)率與堿金屬離子濃度有直線關(guān)系；到一定限度，即空隙被填滿后，開始破壞原來結(jié)構(gòu)緊密的部位，使整個玻璃體結(jié)構(gòu)進一步松散，導(dǎo)電率指數(shù)上升。減小玻璃電導(dǎo)率的方法有雙堿效應(yīng)、壓堿效應(yīng)。雙堿效應(yīng)：當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時（占玻璃組成25—30%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率小，當比例適當時，電導(dǎo)率可降低很低。玻璃離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：RK+>RLi+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通過本身的空位；Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動；相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化物玻璃具有電子導(dǎo)電性。例如：金屬氧化物玻璃、硫族與金屬的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶態(tài)。壓堿效應(yīng)：含堿金屬玻璃中加入二價金屬離子，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強。原因：二價離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動困難，電導(dǎo)率降低。半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子以共價鍵方式與相鄰原子鍵接，不存在自由電子或其它形式載流子（具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物例外）。理論計算表明，結(jié)構(gòu)完整的純聚合物，電導(dǎo)率僅為10－25。但實際聚合物的電導(dǎo)率往往比它大幾個數(shù)量級，表明聚合物絕緣體中載流子主要來自材料外部，即由雜質(zhì)引起的。2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量沒有反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑和其他各種助劑以及聚合物吸附的微量水分等。例如，在電場作用下電離的水，就為聚合物提供了離子型載流子。水對聚合物的絕緣性影響最甚，尤其當聚合物材料是多孔狀或有極性時，吸水量較多，影響更大。例如以橡膠填充的聚苯乙烯材料在水中浸漬前后電導(dǎo)率相差兩個數(shù)量級，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同樣情況下電導(dǎo)率猛增八個數(shù)量級。這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量載流子遷移率大小決定于載流子從外加電場獲得的能量和熱運動碰撞時損失的能量。研究表明，離子型載流子的遷移與聚合物內(nèi)部自由體積的大小有關(guān)，自由體積越大，遷移率越高。電子和空穴型載流子的遷移則與大分子堆砌程度相關(guān)，堆砌程度高，有利于電子躍遷，若堆砌能產(chǎn)生π電子云的交疊，形成電子直接通道，導(dǎo)電性會突增。載流子遷移率大小決定于載流子從外加電場獲得的能量對離子型導(dǎo)電材料，溫度升高，載流子濃度和載流子遷移率均按指數(shù)率增加，因此材料電導(dǎo)率隨溫度按以下規(guī)律變化：（9-15）式中是材料常數(shù)，稱電導(dǎo)活化能。當聚合物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，電導(dǎo)率或電阻率曲線將發(fā)生突然轉(zhuǎn)折，利用這一原理可測定聚合物的玻璃化溫度。對離子型導(dǎo)電材料，溫度升高，載流子濃度和載流子遷結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導(dǎo)率下降。例如，聚三氟氯乙烯結(jié)晶度從10%增加至50%時，電導(dǎo)率下降10～1000倍。因為通常聚合物中，主要是離子型導(dǎo)電，結(jié)晶、取向和交聯(lián)會使分子緊密堆砌，降低鏈段活動性，減少自由體積，使離子遷移率下降。結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導(dǎo)率下降。固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)其它影響因素1）空氣濕度對表面電導(dǎo)的影響2）電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)2）電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)3）電介質(zhì)表面的狀況3）電介質(zhì)表面的狀況材料的介電性—電介質(zhì)的擊穿擊穿場強——電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。擊穿電壓——電介質(zhì)（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。電介質(zhì)的擊穿一般外電場不太強時，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當其處在很強的外電場中時，電介質(zhì)分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。當施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。材料的介電性—電介質(zhì)的擊穿擊穿場強——電介質(zhì)所能承受的不被擊固體電介質(zhì)的擊穿一概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何不同：固體介質(zhì)的擊穿場強較高擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等

，去掉外施電壓，不能自行恢復(fù)絕緣性能

擊穿形式熱擊穿電擊穿電化學擊穿（不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿）固體電介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系固體電介質(zhì)的擊穿一概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的。

影響因素與材料的性能有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān)

因此熱擊穿強度不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù)

（二）電擊穿在較低溫度下，采用了消除邊緣效應(yīng)的電極裝置等嚴格控制的條件下，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的。影響因素主要特性：

擊穿場強高（大致在5～15MV/cm范圍），實用絕緣系統(tǒng)是不可能達到的在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大

意義反映了固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度僅與材料的化學組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為耐電強度或電氣強度（三）不均勻電介質(zhì)的擊穿包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式。擊穿往往是從耐電強度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大，致使介質(zhì)擊穿。

主要特性：擊穿場強高（大致在5～15MV/cm范圍），實用第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能課件電介質(zhì)是在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物質(zhì)。電介質(zhì)對電場的響應(yīng)特性不同于金屬導(dǎo)體。金屬的特點是電子的共有化，體內(nèi)有自由載流子，這樣就決定了金屬具有良好的導(dǎo)電性，它們以傳導(dǎo)的方式來傳遞電的作用和影響。然而，在電介質(zhì)體內(nèi)，一般情況下，只具有被束縛的電荷，在電場的作用下將不能以傳導(dǎo)的方式而只是以感應(yīng)的方式，即以其中正、負電荷受電場驅(qū)使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電的影響。電介質(zhì)是在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少的功能材料，在工程應(yīng)用中，常在需要將電路中具有不同電位的導(dǎo)體彼此隔開的地方使用，就是利用介質(zhì)的絕緣特性，也就是應(yīng)用材料的介電性能。這一類材料總稱為電介質(zhì)。比較常見的介電材料是電容器介質(zhì)材料、壓電材料等。絕緣材料和介電材料都是高電阻率材料，但兩者是有區(qū)別的，好的介電材料一定是好的絕緣材料，但好的絕緣材料就不一定是好的介電材料了。介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少電介質(zhì)的分類（1）按物質(zhì)組成特性：無機電介質(zhì)（如云母、玻璃、陶瓷等）有機電介質(zhì)（如礦物油、紙、有機高分子聚合物等）（2）按物質(zhì)的聚集態(tài)：氣體介質(zhì)（空氣）液體介質(zhì)（電容器油）固體介質(zhì)（滌綸薄膜）電介質(zhì)的分類（3）按物質(zhì)原子排列的有序化：晶體電介質(zhì)（石英晶體）－長程有序非晶態(tài)電介質(zhì)（玻璃塑料）－短程有序（4）工程應(yīng)用：極性電介質(zhì)（纖維素、聚氯乙烯薄膜）中性電介質(zhì)（變壓器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均勻度：均勻電介質(zhì)（聚苯乙烯）非均勻電介質(zhì)（電容器紙－聚苯乙烯薄膜復(fù)合介質(zhì)）（3）按物質(zhì)原子排列的有序化：分類研究電介質(zhì)，有利于將電介質(zhì)性能的研究，統(tǒng)一在某一種物質(zhì)共同屬性的基礎(chǔ)之上，以便總結(jié)出宏觀介電性能與微觀材料結(jié)構(gòu)、組成之間相互關(guān)聯(lián)的規(guī)律。分類研究電介質(zhì)，有利于將電介質(zhì)性能的研究，統(tǒng)一電介質(zhì)物理主要研究：電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿特性。（1）介電常數(shù)（電極化）—指以電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用。

（2）電導(dǎo)—指電介質(zhì)在電場作用下存在泄漏電流。

（3）介電損耗—指電介質(zhì)在電場作用下存在電能的損耗。

（4）擊穿—指在強電場下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。電介質(zhì)物理主要研究：電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿特性。（1四個基本特性各有其基本理論。電介質(zhì)理論包括：

（1）電極化響應(yīng)理論（2）電介質(zhì)中電荷轉(zhuǎn)移、電導(dǎo)和電擊穿理論（3）唯象理論：（用電介質(zhì)的特征函數(shù)描述）從物理學的角度論述與介電有關(guān)的各種效應(yīng)，建立統(tǒng)一的唯象理論—熱力學唯象理論（建立各種宏觀物理量之間的關(guān)系）

（4）微觀理論：主要介紹晶格振動和聲子統(tǒng)計方面的知識。

（5）鐵電理論：在下一章中講。四個基本特性各有其基本理論。電介質(zhì)理論包括：電極化響應(yīng)理論包括：

（a）恒定電場中電介質(zhì)的電極化，電極化的微觀機制；

（b）洛倫茲的有效場；

（c）變動電場中電介質(zhì)的行為（即介電損耗）；

（d）介電馳豫；

（e）諧振吸收和色散；

（f）電極化的非線性效應(yīng)等。電極化響應(yīng)理論包括：電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程：（極化的機制）

（1）材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生電子極化（電子位移極化）；（2）分子中正、負離子相對位移造成離子極化（離子位移極化）；

（3）分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程：（極化的機制）1、電子位移極化

在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移。這種極化稱為電子位移極化。1、電子位移極化在沒有外電場作用的時候，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負電荷中心重合，即電矩等于零，對外呈中性。在電場作用下，正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移（電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程），中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，從而產(chǎn)生了電子位移極化或電子形變極化，如圖5.1所示。圖5.1電子云位移極化示意圖(a)E=0(b)E≠0在沒有外電場作用的時候，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負電荷中電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中，具有如下特點：（1）形成極化所需時間極短（因電子質(zhì)量極小），約10-15s，故其不隨頻率變化；（2）具有彈性，撤去外場正負電荷中心重合，沒有能量損耗；（3）溫度對其影響不大，溫度升高，略為下降，具有不大的負溫度系數(shù)。電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中，具有如下特點：2、離子位移極化在離子晶體和玻璃等無機電介質(zhì)中，正、負離子處于平衡狀態(tài)，其偶極矩的矢量和為零。但這些離子，在電場作用下，除了離子內(nèi)部產(chǎn)生電子位移極化外，離子本身將發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動負離子沿反電場方向移動，正、負離子發(fā)生相對位移，形成感應(yīng)偶極矩。這就是離子位移的極化。也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長，例如堿鹵化物晶體就是如此。圖5.2所示是位移極化的簡化模型。2、離子位移極化圖5.2離子極化示意圖

圖5.2離子極化示意圖離子位移極化主要存在于具有離子晶體中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特點：（1）形成極化所需的時間極短，約10-13s，故一般可以認為與頻率無關(guān)；（2）屬彈性極化，幾乎沒有能量損耗；（3）溫度升高時離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加，但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低，通常前一種因素影響較大，故一般具有正的溫度系數(shù)。即溫度升高，極化程度有增強的趨勢。離子位移極化主要存在于具有離子晶體中，如云母、陶瓷材料等，它3、固有電矩的轉(zhuǎn)向極化

電介質(zhì)中的電偶極子的產(chǎn)生有兩種機制：一是產(chǎn)生于“感應(yīng)電矩”，二是產(chǎn)生于“固有電矩”。前者是在電場的作用下，才會產(chǎn)生，如電子位移極化和離子位移極化；后者存在于極性電介質(zhì)中，本身分子中存在不對稱性，具有非零的恒定偶極矩，沒有外電場作用時，在固體中雜亂無章地排列，宏觀上顯示不出它的帶電特征；如果將該系統(tǒng)放入外電場中，固有電矩將沿電場方向取向的過程被稱為取向極化或轉(zhuǎn)向極化。3、固有電矩的轉(zhuǎn)向極化固有電矩的取向極化具有如下特點：（1）極化是非彈性的；（2）形成極化需要的時間較長，為10-10～10-2s，故其與頻率有較大關(guān)系，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)動，因而其減??；（3）溫度對極性介質(zhì)的有很大影響，溫度高時，分子熱運動劇烈，妨礙它們沿電場方向取向，使極化減弱，故極性氣體介質(zhì)常具有負的溫度系數(shù)，但對極性液體、固體的在低溫下先隨溫度的升高而增加，當熱運動變得較強烈時，又隨溫度的上升而減小。固有電矩的取向極化具有如下特點：取向極化的機理可以應(yīng)用于離子晶體介質(zhì)中，帶有正、負電荷的成對的晶格缺陷所組成的離子晶體中“偶極子”，在外電場作用下也可發(fā)生取向極化。在氣體、液體和理想的完整晶體中，經(jīng)常存在的微觀極化機制是電子位移極化、離子位移極化和固有電矩的取向極化。在非晶態(tài)固體、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶體中，還會存在其他更為復(fù)雜的微觀極化機制。例如：空間電荷極化、松弛極化和自發(fā)極化等。取向極化的機理可以應(yīng)用于離子晶體介質(zhì)中，帶有正、空間電荷極化：

在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起空間電荷的正負電荷質(zhì)點極化，這種極化叫作空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成為自由電荷運動的障礙，在這些障礙處，自由電荷積聚，也形成空間電荷極化

空間電荷極化的特點：①時間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的升高而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時因空間電荷來不及移動，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。空間電荷極化：實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成松弛極化

弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使其分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，在電場作用占主導(dǎo)時則發(fā)生極化，叫作熱松馳極化。

松馳極化的特點：松馳極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。松弛極化

弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運自發(fā)極化晶體中每一個晶胞都存在固有的偶極矩，極化不需要電場，且極化方向可隨外電場方向不同而反轉(zhuǎn)——鐵電體自發(fā)極化各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有各種極化形式的比較極化形式極第五章材料的介電性能課件影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系影響介電常數(shù)的因素：材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作用時，要經(jīng)過一段時間后，極化強度才能達到相應(yīng)的數(shù)值，這個現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時間稱為弛豫時間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時間很短，取向極化的弛豫時間較長，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作極化強度的建立位移極化強度P0

是瞬時建立的，與時間無關(guān)。松弛極化Pr強度與時間的關(guān)系比較復(fù)雜。極化強度的建立位移極化強度P0是瞬時建立的，與時間無材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)介電損耗—電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運動。實質(zhì)相當于交流、直流電流流過電阻做功，一切實用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場作用下，都會發(fā)生漏導(dǎo)損耗。介電損耗—電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當外電場頻率很低，即ω→0時，各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達到最大，而不造成損耗；②當外電場頻率逐漸升高時，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時松弛極化對介電常數(shù)的貢獻減小，使ω隨頻率升高而顯著下降，同時產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當ω→∞時，損耗達到最大；③當外電場頻率達到很高時，松弛極化來不及建立，對介電常數(shù)無貢獻，介電常數(shù)僅由位移極化決定，ω→0時，tanδ→∞，此時無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化損耗由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外電場的頻率等于晶格振動光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。介電損耗—共振吸收損耗對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜，不做要求介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜，不做要求材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的主要形式是電導(dǎo)損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的1）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們在外電場強度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。

當固態(tài)絕緣物中含有氣孔時，由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也比固態(tài)小，必須盡量減小介質(zhì)中的氣孔。

材料的介電損耗1）電離損耗材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。實驗表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗材料的介電損耗固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)理想的電介質(zhì)，在外電場作用下應(yīng)該是沒有傳導(dǎo)電流的。實際的電介質(zhì)，或多或少地具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點。無外電場，熱運動。有外電場，定向漂移。正電荷順電場方向移動，負電荷逆電場方向移動，形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流。固體電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)如圖所示，實際電容器的電流I超前于電壓的相角恒小于Л

/2，故可將電流I分為兩個分量，I1恰好超前電壓Л/2（這部分電流不損耗功率，稱為無功電流）。而I2則與電壓同相（這部分電流消耗功率，稱為有功電流）可寫成：I2=gV式中g(shù)稱為介質(zhì)的電導(dǎo)。圖5.4電容器中介質(zhì)損耗對電流與電壓位相關(guān)系的影響如圖所示，實際電容器的電流I超前于電這個電導(dǎo)并不一定代表由于載流子遷移而產(chǎn)生的直流電導(dǎo)，而是代表介質(zhì)中存在有損耗機制，使電容器上的能量部分地消耗為熱的物理過程。這個電導(dǎo)并不一定代表由于載流子遷移而產(chǎn)生的直流電導(dǎo)，而是代表盡管電介質(zhì)從其本意來看應(yīng)該是完全不導(dǎo)電的，或者說，其電阻率應(yīng)該是無限大的。然而實際上所有電介質(zhì)在直流電壓作用下總會有微弱的電流流過（漏電電流）同體電介質(zhì)的漏導(dǎo)電流I包含了兩個組成部分，流過電介質(zhì)體內(nèi)的電流Iv和沿著電介質(zhì)表面流動的電流Is，并有I=Iv+Is，如圖5.8所示。盡管電介質(zhì)從其本意來看應(yīng)該是完全不導(dǎo)電的，或者說，其電阻率應(yīng)表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）固體電介質(zhì)電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）103固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)的載流子：電子和空穴理想晶體—電子電導(dǎo)非常微弱實際晶體，雜質(zhì)的存在—電子電導(dǎo)較大隧道效應(yīng)固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子電導(dǎo)的載流子：電子和空穴隧道效應(yīng)大部分固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導(dǎo)電的電子（或空穴）也是從各種不同的電離中心經(jīng)過熱激發(fā)而產(chǎn)生的，并且，對于過渡元素金屬氧化物，通常它的活化能都比較小，載流子數(shù)又多，所以，在低溫和室溫下，電子電導(dǎo)常起主要作用。大部分固體電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導(dǎo)電的固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)載流子：正、負離子或離子空位固體電介質(zhì)按其結(jié)構(gòu)可分為：晶體非晶體無機電介質(zhì)和高分子非晶材料的高聚物固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)載流子：正、負離子或離子空位無機電介質(zhì)和固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)導(dǎo)電離子來源本征離子弱聯(lián)系離子熱缺陷在離子晶體中，考慮到它的本征電導(dǎo)和弱聯(lián)系電導(dǎo)時，σ隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成離子活化固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)熱缺陷在固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃與晶體的比較，玻璃具有：結(jié)構(gòu)疏松組成中有堿金屬離子勢壘不是單一的數(shù)值，有高有低。導(dǎo)電的粒子：離子電子固體電介質(zhì)的離子電導(dǎo)2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，堿金屬離子填充在玻璃結(jié)構(gòu)的松散處，電導(dǎo)率與堿金屬離子濃度有直線關(guān)系；到一定限度，即空隙被填滿后，開始破壞原來結(jié)構(gòu)緊密的部位，使整個玻璃體結(jié)構(gòu)進一步松散，導(dǎo)電率指數(shù)上升。減小玻璃電導(dǎo)率的方法有雙堿效應(yīng)、壓堿效應(yīng)。雙堿效應(yīng)：當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時（占玻璃組成25—30%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率小，當比例適當時，電導(dǎo)率可降低很低。玻璃離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：RK+>RLi+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通過本身的空位；Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動；相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化物玻璃具有電子導(dǎo)電性。例如：金屬氧化物玻璃、硫族與金屬的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶態(tài)。壓堿效應(yīng)：含堿金屬玻璃中加入二價金屬離子，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強。原因：二價離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動困難，電導(dǎo)率降低。半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子以共價鍵方式與相鄰原