材料物理公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、6、电介质物理6.1概述 电介质是在电场作用下含有极化能力并在其中长久存在电场一个物质。电介质对电场响应特性不同于金属导体。金属特点是电子共有化,体内有自由载流子,这么就决定了金属含有良好导电性,它们以传导方式来传递电作用和影响。然而,在电介质体内,普通情况下,只含有被束缚电荷,在电场作用下将不能以传导方式而只是以感应方式,即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合电极化方式来传递和统计电影响。1第1页第1页 介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺乏功效材料,在工程应用中,常在需要将电路中含有不同电位导体彼此隔开地方使用,就是利用介质绝缘特性,也就是应用材料介电性能。这一类材料
2、总称为电介质。比较常见介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料,但二者是有区分,好介电材料一定是好绝缘材料,但好绝缘材料就不一定是好介电材料了。电介质物理主要研究:电介质极化、电导、损耗、击穿特性。2第2页第2页6.1.2电介质分类电介质分类(1)按物质构成特性)按物质构成特性:无机电介质(如云母、玻璃、陶瓷等)有机电介质(如矿物油、纸、有机高分子聚 合物等)(2)按物质汇集态)按物质汇集态:气体介质(空气)液体介质(电容器油)固体介质(涤纶薄膜)(3)按物质原子排列有序化)按物质原子排列有序化:晶体电介质(石英晶体)长程有序 非晶态电介质(玻璃塑料)短程有序3
3、第3页第3页(4)工程应用)工程应用:极性电介质(纤维素、聚氯乙烯薄膜)中性电介质(变压器油、聚四氟乙烯薄膜)(5)按均匀度)按均匀度:均匀电介质(聚苯乙烯)非均匀电介质(电容器纸聚苯乙烯薄膜复合介质)分类研究电介质,有助于将电介质性能研究,统一在某一个物质共同属性基础之上,以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、构成之间互相关联规律。4第4页第4页 6.1.3 电介质四大基本常数电介质四大基本常数(1)介电常数(电极化)介电常数(电极化)指以电极化方式传递、存储或统计电作用。(2)电导电导指电介质在电场作用下存在泄漏电流。(3)介电损耗介电损耗指电介质在电场作用下存在电能损耗。(4)击穿击穿指
4、在强电场下也许造成电介质破坏。四个基本特性各有其基本理论。5第5页第5页 6.1.4电介质理论电介质理论 电介质理论包括电介质理论包括:(1)电极化响应理论)电极化响应理论 (2)电介质中电荷转移、电导和电击穿理论)电介质中电荷转移、电导和电击穿理论 (3)唯象理论)唯象理论:(用电介质特性函数描述)从物理学角度叙述与介电相关各种效应,建立统一唯象理论热力学唯象理论(建立各种宏观物理量之间关系)。(4)微观理论)微观理论:主要简介晶格振动和声子统计方面知识。(5)铁电理论)铁电理论:在下一章中讲。6第6页第6页 电极化响应理论包括电极化响应理论包括:(a)恒定电场中电介质电极化,电极化微观机制
5、;(b)洛伦兹有效场;(c)变动电场中电介质行为(即介电损耗);(d)介电驰豫;(e)谐振吸取和色散;(f)电极化非线性效应等。7第7页第7页 6.2电介质极化电介质极化 材料可按其对外电场响应方式分为两类,一类以电荷长程迁移即传导方式对外电场作出响应,这类材料称为导电材料导电材料。另一类以感应方式对外电场作出响应,即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩改变,这类材料称为介电材料。在普通物理和电工学中已经理解到电容意义,它是当两个邻近导体加上电压后含有存储电荷能力量度,即:C=Q/V8第8页第8页 一个平板真空电容器电容为 式中:Q0电容器极板上感应产生电荷;V施加在电容器两极板上电压;q单位面积
6、电荷;0真空介电常数,8.8510-12 E极板间电场强度;d平板间距;A极板面积。从上式能够得到:9第9页第9页 令 Q0/A=D0,代表极板上表面电荷密度;V/d=E,代表极板间电场强度。则 D0=0 E 法拉第(M.Faraday)发觉,当一个材料插入两平板之间后,平板电容器电容增长。增长后电容为 C=r C0 =r0 A/d=A/d 式中:r相对介电常数;介电材料电容率,或称介电常数称介电常数。同理:D =E10第10页第10页 即 D=D0+Q/A Q极板上增长感应电荷 Q/A=P 称为极化强度 则:P =0(r1)E 由此可见由此可见:(1)电介质相对介电常数是介质分子中分子极化程
7、度宏观量度。(2)电介质在电场作用下极化程度愈高,其相对介电常数便愈大。11第11页第11页 介电系数是综合反应介质内部电极化行为一介电系数是综合反应介质内部电极化行为一个主要宏观物理量。普通电介质值都在个主要宏观物理量。普通电介质值都在10下列,下列,金红石可达金红石可达110,而铁电材料值可达到,而铁电材料值可达到104数量级。数量级。高介电材料是制造电容器主要材料,可大大缩小高介电材料是制造电容器主要材料,可大大缩小电容器体积。陶瓷、玻璃、聚合物都是惯用电介电容器体积。陶瓷、玻璃、聚合物都是惯用电介质,表质,表6-1中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在室温下相
8、对介电常数。需要阐明是,外加电场频室温下相对介电常数。需要阐明是,外加电场频率对一些电介质介电常数是有影响,尤其是陶瓷率对一些电介质介电常数是有影响,尤其是陶瓷类电介质。类电介质。12第12页第12页13第13页第13页14第14页第14页 电介质极化有电介质极化有3种主要基本过程种主要基本过程:(极化机:(极化机制)制)(1)材料中原子核外电子云畸变产生电子极化(电子位移极化);(2)分子中正、负离子相对位移造成离子极化(离子位移极化);(3)分子固有电矩在外电场作用下转动造成转向极化。6.2.1电子位移极化电子位移极化 在外电场作用下,原子外围电子轨道相对于原子核发生位移,原子中正、负电荷
9、重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化电子位移极化。15第15页第15页 在没有外电场作用时候,构成电介质分子或原子所在没有外电场作用时候,构成电介质分子或原子所带正负电荷中心重叠,即电矩等于零,对外呈中性。在带正负电荷中心重叠,即电矩等于零,对外呈中性。在电场作用下,正、负电荷中心产生相对位移(电子云发电场作用下,正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了改变而使正、负电荷中心分离物理过程),中性分生了改变而使正、负电荷中心分离物理过程),中性分子则转化为偶极子,从而产生了电子位移极化或电子形子则转化为偶极子,从而产生了电子位移极化或电子形变极化,如图变极化,如图6.1所表示。所表示。图图
10、6.1 电子云位移极化示意图电子云位移极化示意图(a)E=0 (b)E016第16页第16页电子位移极化性质含有一个弹性束缚电荷在逼迫电子位移极化性质含有一个弹性束缚电荷在逼迫振动中表现出来特性。依据典型弹性振动理论能振动中表现出来特性。依据典型弹性振动理论能够计算出电子在交变电场中极化率为:够计算出电子在交变电场中极化率为:(6-1)当当趋近于零时,可得到静态极化率趋近于零时,可得到静态极化率 (6-2)17第17页第17页 由式(由式(6-1)和式()和式(6-2)可见,电子极化率依赖于)可见,电子极化率依赖于交变电场频率,极化率与频率关系反应了极化惯性。静交变电场频率,极化率与频率关系反
11、应了极化惯性。静态极化率可由共振吸取光频(紫光)测出。在光频范围态极化率可由共振吸取光频(紫光)测出。在光频范围内,电子对极化奉献总是存在,而其它极化机构由于惯内,电子对极化奉献总是存在,而其它极化机构由于惯性跟不上电场改变,因而此时介电常数几乎完全来自电性跟不上电场改变,因而此时介电常数几乎完全来自电子极化率奉献。子极化率奉献。利用玻尔原子模型,可详细估算出利用玻尔原子模型,可详细估算出e 大小:大小:(6-3)式中式中0为真空介电常数,为真空介电常数,R为原子(离子)半径。可见,为原子(离子)半径。可见,电子极化率大小与原子(离子)半径相关。电子极化率大小与原子(离子)半径相关。18第18
12、页第18页 以以最最简简朴朴氢氢原原子子为为例例,氢氢原原子子电电子子极极化化率率为为7.5210-41。式式(6-3)不不适适合合用用于于较较复复杂杂原原子子,但但是是能能够够必必定定,当当电电子子轨轨道道半半径径增增大大时时,电电子子位位移移极极化化率率会会随随之之不不久久增增大大。在在元元素素周周期期表表中中,对对于于同同一一族族原原子子,电电子子位位移移极极化化率率自自上上而而下下依依次次增增大大;在在同同一一周周期期中中元元素素,原原子子电电子子位位移移极极化化率率自自左左向向右右能能够够增增大大也也能能够够减减少少,这这是是由由于于即即使使轨轨道道上上电电子子数数目目增增多多,但但
13、是是轨轨道道半半径径却却也也许许减减小小,结结果要看哪个效应占优势。果要看哪个效应占优势。19第19页第19页 电子位移极化存在于一切气体、液体及固体电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中,含有下列特点:介质中,含有下列特点:(1)形成极化所需时间极短(因电子质量极)形成极化所需时间极短(因电子质量极小),约小),约10-15s,故其不随频率改变;,故其不随频率改变;(2)含有弹性,撤去外场正负电荷中心重叠,)含有弹性,撤去外场正负电荷中心重叠,没有能量损耗;没有能量损耗;(3)温度对其影响不大,温度升高,略为下)温度对其影响不大,温度升高,略为下降,含有不大负温度系数。降,含有不大负温
14、度系数。20第20页第20页6.2.2离子位移极化离子位移极化 在离子晶体和玻璃等无机电介质中,正、负离子处在离子晶体和玻璃等无机电介质中,正、负离子处于平衡状态,其偶极矩矢量和为零。但这些离子,在电于平衡状态,其偶极矩矢量和为零。但这些离子,在电场作用下,除了离子内部产生电子位移极化外,离子本场作用下,除了离子内部产生电子位移极化外,离子本身将发生可逆弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子身将发生可逆弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动,正、负离子发生相对位移,形成感沿反电场方向移动,正、负离子发生相对位移,形成感应偶极矩。这就是离子位移极化。应偶极矩。这就是离子位移极化。也能
15、够理解为离子也能够理解为离子晶体在电场作用下离子间键合被拉长,比如碱卤化物晶晶体在电场作用下离子间键合被拉长,比如碱卤化物晶体就是如此。图体就是如此。图6.2所表示是位移极化简化模型。所表示是位移极化简化模型。21第21页第21页图图6.2 离子极化示意图离子极化示意图 22第22页第22页 与电子位移极化类似,在交变电场作用下,与电子位移极化类似,在交变电场作用下,由正、负离子位移可导出离子位移极化率由正、负离子位移可导出离子位移极化率 (6-4)可见,离子位移极化和电子位移极化表示式类似,可见,离子位移极化和电子位移极化表示式类似,都含有弹性偶极子极化性质。都含有弹性偶极子极化性质。0可由
16、晶格振动红可由晶格振动红外吸取频率测量出来。这里两种离子相对运动,外吸取频率测量出来。这里两种离子相对运动,就是晶格振动光学波。就是晶格振动光学波。23第23页第23页以离子晶体极化为例,每对离子平均位移极化率以离子晶体极化为例,每对离子平均位移极化率为:为:(6-5)式(式(6-5)中,)中,为晶格常数,为晶格常数,A为马德隆常数,为马德隆常数,n为电子层斥力指数,对离子晶体为电子层斥力指数,对离子晶体n=711,因此,因此离子位移极化率数量级约为离子位移极化率数量级约为10-40。24第24页第24页 离子位移极化主要存在于含有离子晶体中,离子位移极化主要存在于含有离子晶体中,如云母、陶瓷
17、材料等,它含有下列特点:如云母、陶瓷材料等,它含有下列特点:(1)形成极化所需时间极短,约)形成极化所需时间极短,约10-13s,故普通,故普通能够认为与频率无关;能够认为与频率无关;(2)属弹性极化,几乎没有能量损耗;)属弹性极化,几乎没有能量损耗;(3)温度升高时离子间结合力减少,使极化程)温度升高时离子间结合力减少,使极化程度增长,但离子密度随温度升高而减小,使极化度增长,但离子密度随温度升高而减小,使极化程度减少,通常前一个原因影响较大,故普通含程度减少,通常前一个原因影响较大,故普通含有正温度系数。即温度升高,极化程度有增强趋有正温度系数。即温度升高,极化程度有增强趋势。势。25第2
18、5页第25页 6.2.3固有电矩转向极化固有电矩转向极化 电电介介质质中中电电偶偶极极子子产产生生有有两两种种机机制制:一一是是产产生生于于“感感应应电电矩矩”,二二是是产产生生于于“固固有有电电矩矩”。前前者者是是在在电电场场作作用用下下,才才会会产产生生,如如电电子子位位移移极极化化和和离离子子位位移移极极化化;后后者者存存在在于于极极性性电电介介质质中中,本本身身分分子子中中存存在在不不对对称称性性,含含有有非非零零恒恒定定偶偶极极矩矩,没没有有外外电电场场作作用用时时,在在固固体体中中杂杂乱乱无无章章地地排排列列,宏宏观观上上显显示示不不出出它它带带电电特特性性;假假如如将将该该系系统
19、统放放入入外外电电场场中中,固固有有电电矩矩将将沿沿电电场场方方向向取取向向过过程程被被称称为取向极化或转向极化。为取向极化或转向极化。26第26页第26页取向极化过程中,热运动(温度作用)和外电场取向极化过程中,热运动(温度作用)和外电场是使偶极子运动两个矛盾方面,偶极子沿外电场是使偶极子运动两个矛盾方面,偶极子沿外电场方向有序化将减少系统能量,但热运动破坏这种方向有序化将减少系统能量,但热运动破坏这种有序化,在两者平衡条件下,能够得到偶极子取有序化,在两者平衡条件下,能够得到偶极子取向极化率为:向极化率为:(6-6)式中,式中,p0为无电场时偶极子固有电矩,为无电场时偶极子固有电矩,k为玻
20、尔为玻尔兹曼常数,兹曼常数,T为热力学温度。为热力学温度。27第27页第27页对于一个典型偶极子,对于一个典型偶极子,p0 e10-10,因此取向极化率,因此取向极化率约为约为2 10-38,比电子位移极化率要高两个数量级。固有,比电子位移极化率要高两个数量级。固有电矩取向极化含有下列特点:电矩取向极化含有下列特点:(1)极化是非弹性;)极化是非弹性;(2)形成极化需要时间较长,为)形成极化需要时间较长,为10-1010-2s,故其与,故其与频率有较大关系,频率很高时,偶极子来不及转动,因频率有较大关系,频率很高时,偶极子来不及转动,因而其减小;而其减小;(3)温度对极性介质有很大影响,温度高
21、时,分子热)温度对极性介质有很大影响,温度高时,分子热运动猛烈,阻碍它们沿电场方向取向,使极化削弱,故运动猛烈,阻碍它们沿电场方向取向,使极化削弱,故极性气体介质常含有负温度系数,但对极性液体、固体极性气体介质常含有负温度系数,但对极性液体、固体在低温下先随温度升高而增长,当热运动变得较强烈时,在低温下先随温度升高而增长,当热运动变得较强烈时,又随温度上升而减小。又随温度上升而减小。28第28页第28页 取向极化机理能够应用于离子晶体介质中,取向极化机理能够应用于离子晶体介质中,带有正、负电荷成正确晶格缺点所构成离子晶体带有正、负电荷成正确晶格缺点所构成离子晶体中中“偶极子偶极子”,在外电场作
22、用下也可发生取向极,在外电场作用下也可发生取向极化。化。在气体、液体和抱负完整晶体中,经常存在在气体、液体和抱负完整晶体中,经常存在微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩取向极化。在非晶态固体、聚合物高分固有电矩取向极化。在非晶态固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整晶体中,还会存在其它更为子、陶瓷以及不完整晶体中,还会存在其它更为复杂微观极化机制。比如:松弛极化、空间电荷复杂微观极化机制。比如:松弛极化、空间电荷极化和自发极化等。极化和自发极化等。29第29页第29页30第30页第30页图图6.4各种极化频率范围及其对介电常数奉献各种极化频率
23、范围及其对介电常数奉献 31第31页第31页 6.3变动电场中电介质行为及介质损耗变动电场中电介质行为及介质损耗 6.3.1 复介电常数复介电常数在变动电场下,上面讲静态介电常数不再合用,在变动电场下,上面讲静态介电常数不再合用,而出现动态介电常数而出现动态介电常数复介电常数,下面以平板复介电常数,下面以平板电容器为例阐明复介电常数。电容器为例阐明复介电常数。一个在真空中容量为一个在真空中容量为 平行平板电容器,平行平板电容器,假如在其两个极板上施加角频率为假如在其两个极板上施加角频率为正弦交变电正弦交变电压压 ,则在电极上出现电荷,则在电极上出现电荷 ,并且与外电压同相位。并且与外电压同相位
24、。32第32页第32页该电容上电流为:该电容上电流为:(6-7)式中,式中,虚因子,表示虚因子,表示I与与V有有90相位差,相位差,如图如图6.5所表示。所表示。33第33页第33页当两极间充以非极性完全绝缘材料时,当两极间充以非极性完全绝缘材料时,则电,则电流变为:流变为:(6-8)它比它比I0大,但与外电压仍相差大,但与外电压仍相差90相位。相位。假如试样材料是弱导电性,或是极性,或兼有此两种特假如试样材料是弱导电性,或是极性,或兼有此两种特性,那么电容器不再是抱负,电流与电压相位不正好相性,那么电容器不再是抱负,电流与电压相位不正好相差差90。这是由于存在一个与电压相位相同很小电导分。这
25、是由于存在一个与电压相位相同很小电导分量量GV,它起源于电荷运动。假如这些电荷是自由,则,它起源于电荷运动。假如这些电荷是自由,则电导电导G事实上与外电压频率无关;假如这些电荷是被符事实上与外电压频率无关;假如这些电荷是被符号相反电荷所束缚,如振动偶极子情况,则号相反电荷所束缚,如振动偶极子情况,则G为频率函为频率函数。数。34第34页第34页这时,能够把实际电容器电流这时,能够把实际电容器电流I分解为两个电流分量分解为两个电流分量I1和和I2,见图,见图6.5,其中,其中,I1相位角超前于电压相位角超前于电压90,这部分电,这部分电流不损耗功率,称为无功电流;流不损耗功率,称为无功电流;I2
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