電介質(zhì)材料基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于電介質(zhì)材料基礎(chǔ)知識(shí)3-1-1電介質(zhì)及其極化3-1-2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗3-1-3電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿3-1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)：介電常數(shù)（ε）、損耗角正切（tanδ）、電導(dǎo)率（

）、抗電強(qiáng)度（Ep

）3-1-4電介質(zhì)材料的非電性能第2頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3-1-1電介質(zhì)及其極化室溫下金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電介質(zhì)的電阻率分別為：ρ10-8~10-610-5~106108~1018導(dǎo)體半導(dǎo)體電介質(zhì)2）在較弱電場下具有極化能力，并以電極化的方式傳遞、存儲(chǔ)和記錄電的作用與影響；1）電介質(zhì)是絕緣體，無自由電荷，只存在束縛電荷。3）電介質(zhì)可作絕緣材料，還可用于制作電容器、壓電器件及介質(zhì)天線等電子元器件。1.電介質(zhì)的定義第3頁,共41頁，2024年2月25日，星期天4）極性分子電介質(zhì)和非極性分子電介質(zhì)極性分子：分子的正負(fù)電荷重心不重合。例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OHH2O分子非極性分子：分子的正負(fù)電荷重心重合。極性分子具有固有偶極矩，非極性分子的偶極矩為零。例如，CO2、H2、N2、CH4、He

電偶極子電偶極矩：。第4頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.電介質(zhì)的極化

在電介質(zhì)中，原子、分子或離子的正負(fù)電荷以共價(jià)鍵或離子鍵的形式被強(qiáng)烈的相互束縛著，這些束縛電荷在外電場的作用下分布發(fā)生變化，在電介質(zhì)內(nèi)形成感應(yīng)宏觀偶極矩的過程，稱為電介質(zhì)的極化。

感應(yīng)宏觀偶極矩的形成：

非極性介質(zhì)

—在電場作用下，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)整體來看，就形成了感應(yīng)宏觀偶極矩。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；在沒有外電場時(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；有外電場時(shí)，偶極子沿電場方向取向幾率增加，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。第5頁,共41頁，2024年2月25日，星期天：外電場：退極化場介質(zhì)中的總場強(qiáng)：

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)內(nèi)形成與外電場方向相反的退極化場；介質(zhì)的極化能力越強(qiáng)，退極化場越強(qiáng)。極化使電介質(zhì)表面出現(xiàn)感應(yīng)束縛電荷第6頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.1介電常數(shù)（ε）取D/E比值來反映介質(zhì)的極化能力：ε：電介質(zhì)的介電常數(shù)；D：介質(zhì)中的電位移，僅與自由電荷的密度有關(guān)；E：介質(zhì)中的總電場強(qiáng)度，與自由電荷密度和介質(zhì)表面的束縛電荷密度都有關(guān)。介電常數(shù)是描述介質(zhì)極化能力的一個(gè)重要物理參數(shù)！第7頁,共41頁，2024年2月25日，星期天：相對(duì)介電常數(shù)：真空介電常數(shù)

介電常數(shù)反映了介質(zhì)極化能力的大小，介質(zhì)的介電常數(shù)值越大，極化能力越強(qiáng)；

電容器介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電容器存儲(chǔ)電荷的能力越強(qiáng)。第8頁,共41頁，2024年2月25日，星期天真空空氣乙醇水石英玻璃石蠟1.000001.0005926.480.14.27~4.343.802.0~2.5氧化鋁

巖鹽NaCl鈦酸鈣

金紅石（TiO2）鈦酸鋇晶體:11.28~13.276.12130~150晶體:86~170晶體:160~4500陶瓷:80~110陶瓷:1700陶瓷:9.5~11.2聚乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯環(huán)氧樹脂天然橡膠酚醛樹脂2.262.114.553.6~4.12.6~2.95.1~8.6常用電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)第9頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.2介質(zhì)極化強(qiáng)度和極化率為了描述電介質(zhì)在外場中的極化情況，引入極化強(qiáng)度矢量，它等于單位體積內(nèi)感生偶極矩的矢量和：若介質(zhì)中的電場是均勻的，則有：單位為：C/m2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，則有：對(duì)于線性極化，與電場強(qiáng)度成正比，有：：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的局域電場，稱為有效電場；：極化粒子的極化率，是表征微觀粒子極化性質(zhì)的微觀參數(shù)。第10頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.3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S，極片間距為d，均勻極化時(shí)，整個(gè)電介質(zhì)總的感應(yīng)偶極矩：Sd極化強(qiáng)度：

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)n0；選取極化率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Ee。第11頁,共41頁，2024年2月25日，星期天對(duì)于氣體、非極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱或完全無序的介質(zhì)，有效電場與外電場的關(guān)系為：這樣的有效電場稱為洛倫茲（Lorentz）有效電場，將其代入εr公式：稱為克—莫極化方程，是在采用洛倫茲有效電場的情況下，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。第12頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.4電介質(zhì)極化的類型

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1）電子位移極化電介質(zhì)中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場的作用下，粒子中的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，而感生一個(gè)沿電場方向的感應(yīng)偶極矩。電子云原子核電子位移極化模型圖+q-q第13頁,共41頁，2024年2月25日，星期天

電子位移極化率與溫度無關(guān)：溫度的高低不足以改變原子或離子的半徑。

電子位移極化建立的時(shí)間很短，約在10-14~10-16s范圍；如果所加電場為交變電場，即使電場頻率高達(dá)光頻，電子位移極化也來得及響應(yīng)。

電子位移極化存在于一切介質(zhì)中。

電子位移極化產(chǎn)生的感應(yīng)偶極矩：為電子極化率：電子極化率與原子半徑的立方成正比，電子軌道半徑r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。（電子位移極化率的數(shù)量級(jí)為10-40F.m2）第14頁,共41頁，2024年2月25日，星期天

實(shí)驗(yàn)測量得到的值并不嚴(yán)格等于，不同原子和離子比值大小不一樣，值大的原子或離子越容易發(fā)生極化。（P10，表2-2）第15頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2）離子位移極化++偶極矩矢量和為零；++感應(yīng)偶極矩：為離子位移極化率。

當(dāng)離子位移為完全彈性位移時(shí)，可以得出：

離子位移極化率隨溫度的升高而增大，但增加甚微；離子位移極化對(duì)外場的響應(yīng)時(shí)間也較短，約為10-12~10-13s。（離子位移極化率的數(shù)量級(jí)為10-40F.m2）（a為晶格常數(shù)，晶體密堆積時(shí)）第16頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3）偶極子轉(zhuǎn)向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+在沒有外電場時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)使偶極子作混亂排布，分子固有偶極矩在空間個(gè)方向的取向幾率相同，宏觀偶極矩為零。在電場作用下，極性分子沿電場方向取向幾率大于其它方向，形成宏觀偶極矩。極性分子具有固有偶極矩，可以把它們看成偶極子。可以證明，偶極子轉(zhuǎn)向極化率為：

偶極子轉(zhuǎn)向極化率隨溫度的升高而下降：溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)的抗取向作用加??；

偶極子轉(zhuǎn)向極化對(duì)外電場的響應(yīng)時(shí)間較長，約為10-8~10-2s。（偶極子轉(zhuǎn)向極化率的數(shù)量級(jí)為10-38F.m2）第17頁,共41頁，2024年2月25日，星期天4）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，容易受熱激活，越過勢壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱為弱束縛離子。UxUxABΔU躍遷幾率相同AB沿電場方向遷移幾率增加++在電場作用下，沿電場方向產(chǎn)生過剩躍遷的離子，使電介質(zhì)電荷分布不均，形成電偶極矩。

離子松弛極化率：，與溫度成反比；

離子松弛極化建立的時(shí)間較慢，約為10-2s；

離子松弛極化是非可逆的過程，且離子躍遷的距離可與晶格常數(shù)相比擬。第18頁,共41頁，2024年2月25日，星期天5）空間電荷極化當(dāng)介質(zhì)中存在少量自由電荷載流子（正負(fù)離子和電子）時(shí)，在外電場作用下，載流子將移動(dòng)，使介質(zhì)有微小的漏導(dǎo)電流。++e++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。

空間電荷極化與介質(zhì)的電導(dǎo)密切相關(guān)；

空間電荷極化建立的時(shí)間很長，在幾分之一秒到幾個(gè)小時(shí)范圍內(nèi)。第19頁,共41頁，2024年2月25日，星期天6）自發(fā)式極化

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，即晶胞具有極性。

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，使它們的固有偶極矩朝向相同的方向。由于這種極化狀態(tài)是在外電場為零時(shí)自發(fā)建立的，稱為自發(fā)極化。

具有相同極化方向的自發(fā)極化區(qū)域，稱為電疇。沒有外電場時(shí)，電疇空間取向平均，介質(zhì)不顯極性；有外電場時(shí)，電疇沿電場方向轉(zhuǎn)向，顯示強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。電疇

自發(fā)極化產(chǎn)生的介電常數(shù)非常高，且極化建立的時(shí)間很長。第20頁,共41頁，2024年2月25日，星期天7）請(qǐng)思考下列介質(zhì)中存在的極化類型①N2、H2、CO2非極性氣體，只存在電子位移極化②SO2、H2S、HCl極性氣體，存在電子位移極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化③

苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯④乙醇、聚氯乙烯⑤

離子晶體非極性液體或固體，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BaTiO3）第21頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3-1-2電介質(zhì)的介質(zhì)損耗

電子位移極化和離子位移極化建立的時(shí)間極短，可以與可見光的周期相比擬，在遠(yuǎn)低于光頻的無線電頻率范圍，這兩種極化可以看成是即時(shí)的，稱為瞬時(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)極化建立的時(shí)間較長，稱為緩慢極化，也稱弛豫極化。

在靜電場下測得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)（εs）。+瞬時(shí)極化與交變電場完全同步，其極化強(qiáng)度與電場間沒有相位差。+緩慢極化需要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到相應(yīng)電場下的最大極化值；緩慢極化強(qiáng)度與電場之間存在相位差。第22頁,共41頁，2024年2月25日，星期天

隨著交變電場頻率的不同，介質(zhì)的極化響應(yīng)分3種情況：

頻率很低：各種極化的建立跟得上電場的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng)同靜電場情形；

頻率極高：弛豫極化完全來不及建立，不必考慮；瞬時(shí)極化仍同靜電場情形；

介于中間：出現(xiàn)極化損耗，介電常數(shù)隨電場頻率變化。第23頁,共41頁，2024年2月25日，星期天1.介質(zhì)損耗和復(fù)介電常數(shù)余弦交變電場：介質(zhì)的位移電流密度：電場頻率很低時(shí)：極化跟得上電場的變化，電位移D（）與電場E之間沒有相位差：單位時(shí)間內(nèi)單位體積消耗的能量：交變電場頻率很低時(shí)，介質(zhì)中沒有極化損耗。1）極化損耗第24頁,共41頁，2024年2月25日，星期天電場頻率較高時(shí)：余弦交變電場：某些類型的極化不能完全跟上電場的變化，電位移D（）與電場E之間出現(xiàn)相位差：介質(zhì)的位移電流密度：①②①：不導(dǎo)致介質(zhì)中出現(xiàn)能量損耗②：單位時(shí)間單位體積的介質(zhì)中能量損耗：

當(dāng)極化滯后于交變電場變化時(shí)，介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗，稱為極化損耗；極化損耗與電場頻率及有關(guān)，相角稱為電介質(zhì)損耗角。第25頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2）復(fù)介電常數(shù)用復(fù)數(shù)表示交變電場下的上述關(guān)系：復(fù)電場強(qiáng)度：或復(fù)電位移：當(dāng)極化跟不上外電場的變化時(shí)，與之間有角的相位差：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)慣稱為復(fù)介電常數(shù)：當(dāng)電位移和電場強(qiáng)度同位相時(shí)：當(dāng)電位移和電場強(qiáng)度有相位差時(shí)：是實(shí)數(shù)；是復(fù)數(shù)；第26頁,共41頁，2024年2月25日，星期天介質(zhì)的復(fù)位移電流密度：②①①的實(shí)數(shù)部分：②的實(shí)數(shù)部分：復(fù)介電常數(shù)：沒有能量損耗：無功電流密度產(chǎn)生能量損耗：有功電流密度單位時(shí)間單位體積極化損耗的能量為：在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)損耗常用值來表示：稱為介質(zhì)損耗角正切。（損耗因子）第27頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.德拜方程由極化弛豫過程，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，稱為德拜方程：：頻率，即靜電場時(shí)的介電常數(shù)，稱靜態(tài)介電常數(shù)：頻率時(shí)的介電常數(shù)，稱光頻介電常數(shù)：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)間第28頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.1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)值降至光頻值；1）時(shí)：，，即靜電場下的情況；2）時(shí)：，，即光頻下的情況；3）在之間時(shí)：：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率。

時(shí)：大致正比于，，；

時(shí)：大致反比于，，；

附近：和發(fā)生劇烈變化，稱為彌散區(qū)域。第29頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.2的頻率特性：隨頻率的增加出現(xiàn)極值，極值頻率：O的頻率特性與類似：

時(shí)：大致與成正比；時(shí)：大致與成反比；時(shí)：通過極大值。第30頁,共41頁，2024年2月25日，星期天3.介電常數(shù)與溫度的關(guān)系n0：溫度升高，由于熱膨脹，單位體積內(nèi)的粒子數(shù)減少；：電子位移極化率與溫度無關(guān)；離子位移極化：T，離子間距膨脹，a，；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；自發(fā)極化：與相變和晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)；

Ee：氣體、非極性介質(zhì)、高度對(duì)稱和完全無序介質(zhì)—洛倫茲有效電場；在離子晶體中，與離子種類、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。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)、粒子的極化率及有效電場有關(guān)，考察隨溫度的變化關(guān)系，只需研究n0、、和Ee隨溫度的變化關(guān)系。第31頁,共41頁，2024年2月25日，星期天4.計(jì)及漏導(dǎo)電流時(shí)的介質(zhì)損耗

任何介質(zhì)都不是理想的絕緣體，在加上交變電場后，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，形成介質(zhì)損耗的一部分，稱為漏導(dǎo)損耗，也稱電導(dǎo)損耗。

介質(zhì)損耗：：極化引起的損耗角正切；：電導(dǎo)引起的損耗角正切；(為介質(zhì)的電導(dǎo)率)第32頁,共41頁，2024年2月25日，星期天：，只有電導(dǎo)電流引起的損耗：1）

與頻率的關(guān)系：3）隨著頻率的升高，極化損耗開始起作用，出現(xiàn)損耗峰值；2）頻率很低時(shí)：可忽略不計(jì)；損耗主要由電導(dǎo)引起：4）頻率極高時(shí)：

1）2）3）4）O第33頁,共41頁，2024年2月25日，星期天

與電導(dǎo)率

的關(guān)系：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；2）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，隨頻率增加迅速下降，表現(xiàn)出明顯的電導(dǎo)損耗特征。12345O第34頁,共41頁，2024年2月25日，星期天電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：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。OT極化損耗漏導(dǎo)損耗

與溫度的關(guān)系：OT12345

與溫度的關(guān)系，隨著的增加，極化損耗也逐漸被電導(dǎo)損耗覆蓋。第35頁,共41頁，2024年2月25日，星期天1.電介質(zhì)的電導(dǎo)3-1-3電介質(zhì)的電導(dǎo)和擊穿

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，在不高的外電場下，這些載流子定向遷移，形成很小的電流，稱為漏導(dǎo)電流。

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q，則介質(zhì)中的電流密度為：歐姆定律：（為電介質(zhì)的電導(dǎo)率）單位截面

電導(dǎo)率和電阻率直接表征了介質(zhì)絕緣性能的優(yōu)劣；電場不高時(shí)，電導(dǎo)率與電場無關(guān)；提高介質(zhì)的絕緣性：①減少載流子數(shù)；②降低遷移率。

正負(fù)載流子的遷移速率與外電場強(qiáng)度成正比：（和為遷移率）；+q第36頁,共41頁，2024年2月25日，星期天2.電介質(zhì)的擊穿

當(dāng)電場強(qiáng)度相當(dāng)高時(shí)，電導(dǎo)率隨E升高迅速增加；若電場繼續(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，幾乎變成導(dǎo)體，稱為電擊穿；

發(fā)生電擊穿時(shí)的臨界電壓稱為擊穿電壓；相應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度稱為抗電強(qiáng)度（Ep）?？闺姀?qiáng)度表征了電介質(zhì)承受電場作用能力的高低。抗電強(qiáng)度有時(shí)也稱擊穿強(qiáng)度。

擊穿的主要形式：電擊穿—電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接被電場力所破壞；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；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。第37頁,共41頁，2024年2月25日，星