第九章-电介质材料

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电介质=绝缘体?
物质对电场的两种响应方式：传导和极化。
传导性：绝缘体、半导体与导体；
极化特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体、
热释电体等电介质。 绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。 半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场 的响应中传导效应远远超过了极化效应。
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四、电介质的物理性质
-
+ + + +
外电场
P
+ + + +
-
+ + + +
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各种极化形式的比较
极化形式 极化的电 介质种类 极化的频 率范围 与温度的关 系 能量消耗
电子位移 极化
离子位移 极化 离子松弛 极化 电子位移 松弛极化 转向极化
一切陶瓷
离子结构 离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
空间电荷 极化
结构不均 匀的材料
E1
E3
+++
E2
E外
对于固体介质，周围介质 的极化作用对作用于特定 －－－－－－－ 质点上的局部电场有影响。 27 作用于介质中质点的内电场
⑥ 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀 极化时，整个电介质总的感应偶极矩：
S
Q' d
μ Q' d
极化强度：
第九章
电介质材料
Dielectric material
1
电介质基本物理性能（重点）
一、简介 二、电介质分类 三、极化类型 四、电介质的物理性质
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一、简
介
电介质材料定义：
在电场作用下，能建立极化的一切物质。 一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现 其电学性能的物质。
电介质的主要性能： 介电常数、介电损耗因子、介电强度。
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②复介电常数
由于：
G S
d
C S
d
故电流密度为： 另：电流密度 可收可表示为：
j (i ) E
j i E
*
iC0U
* * 故可定义复介电常数： i i 损耗角定义为： 损耗项 tan 电容项

U
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②复介电常数
影响介电常数的宏观因素：
宏观量：温度 T 频率 f 微观量：单位体积内的极化粒子数n0 极化率α 有效电场Ee
n 0Ee r 1 0E
Ee ：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介
质与外电场有关；在离子晶体中，与离子种类、晶 体结构等有关。 确认宏观因素与微观参数的关系：温度、频率分别 30 与n0和α的关系。
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一、简
介
静电感应现象 什么是极化？ 在电场作用下， 电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象
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二、极化的微观机制
1 电介质－是由大量电中性的分子组成。 紧束缚的正、负电荷在外电场中要发生变化。
2 电介质的分子：
①无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。 例如，CO2 H2 N2 O2 He ②有极分子（Polar molecule） 在无外场作用下存在固有电矩 例如，H2O Hcl CO SO2 因无序排列对外不呈现电性。
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常用电介质材料的相对介电常数
真空 1.00000 空气 1.00059 石蜡 2.0~2.5 玻璃 3.80 石英 4.27~4.34 乙醇 26.4 水 80.1
聚乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 2.26 2.11 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
云母 5
MgSiO3 金红石（TiO2） 6.1 110
钛酸钡 2000
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 104
巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~105
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②复介电常数
恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数 为一恒定值。
对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压， 则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相） Q C0U C0U0eit
介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值 越大，极化能力越强。 电容器介质的介电常数越大，电容器存储电荷的能 17 力越强。
① 极化能力的表征 ——介电常数 电介质提高电容量的原因：
由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性 电荷，它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了 这部分电荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。 结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多， 束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸 可 减小。
ln x1 ln 1 x2 ln 2
当介电常数为 d 的球形颗粒均匀地分散在介电常 数为 m 的基相中时，其混合物的介电常数为：
2 d xm m ( ) xd d 3 3 m 2 d m( ) xd 3 3 m
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④介电常数的温度系数
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影响介电常数的微观因素：
n 0E e r 1 0E 提高单位体积内的极化粒子数n ；
0
选取极化率α 大的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。
对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序
的介质，有效电场与外电场的关系为：
Ee
r 2
3
E
29 在离子晶体中，Ee与离子种类、晶体结构等有关。
其电流为：
I 0 Q iC0U

与外电压有相差90度， 是一种非损耗性电流
如果极板间加入材料是弱电性的，或极性的，或两者均有，总 之材料具有一定的电导，则在材料中必然会存在一个与导电性能 有关的电流GU，这个电流与外电压的频率是没有关系的。则电 容器总的电流应为两部分之和，可表示为：
I 0 (iC G)U
电子位移极化

f
离子位移极化 松弛极化
空间电荷极化
介电常数与频率的关系
频率f 极化率
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介电常数与温度的关系
考察 介电常数随温度的变化关系，只需研究n0、极 化率、和 Ee 随温度的变化关系。
n0： 温度升高，由于热膨胀，单位体积内的粒子数减少； 极化率：
α
电子位移极化率：温度升高，密度降低，略微下降； αi 离子位移极化：T 升高，离子间距膨胀，极化率增加； 偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向
复介电常数的实部反映介质的储存电荷的能力； 复介电常数的虚部是由材料内部的各种极化跟 不上外高频电场变化而引起的弛豫现象，代表 着材料的损耗项。物理意义是单位体积介质中 当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能 量通常转化成热能而耗散掉。
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③多相系统电介质材料的介电常数
如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时， 其混合物的介电常数为：
三、极化的类型
电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、
松弛极化、空间电荷极化等
1、电子位移极化
电场作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生 位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。存 在于一切介质中。
建立时间短，瞬时完成； 具有弹性； 温度影响不大。
E0
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2、离子位移极化
无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性， 偶极矩矢量和为零； 离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。存在于具有 离子式结构的固体无机化合物。 属弹性极化，几乎没有能量损耗；
i
V
单位为：C/m2
若介质中的电场是均匀的，则有： P i V 若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为 μ ，则有：
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μ 与电场强度成正比，有： 对于线性极化，
Ee ：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；

P n0 μ
μ Ee
直流—— 光频 直流—— 红外 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 高频
无关
温度升高极 化增强 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
有
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电介质定义的解析：
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过，而以
感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称。 电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极 化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中 起主要作用的是束缚电荷。 物质对电场的响应分为： 传导（自由电荷的长程移动） 感应（束缚电荷的短程运动）

：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。
P n0 Ee
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原子位置上的局部电场Eloc （有效电场）
Eloc=E外+E1+E2+E3 周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。 对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。
+ + + + + + + + －－－
大的介电常数。
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(5). 空间电荷极化
在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、 晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电 子运动的障碍； 在电场作用下，在障碍处，自由电子积聚，原先 混乱排布的正、负自由电荷分别向负、正极运动，使 得正极积聚较多的负电荷，负极附近积聚较多的正电 荷，从而出现电偶极矩，形成空间电荷极化，一般为 高压式极化。
可由定义式微分得到，即：
TK x1TK 1 x2TK 2
应用：热稳定陶瓷电容器
用一种TKε值为很小正值的晶体作为主晶体，加入 另一种具有负TKε值的晶体。调节TKε到最小值。
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⑤介质极化强度和极化率
极化强度矢量 ，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：
P lim
V 0
指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：
1 d TK dT
各种极化的温度系数：
电子位移极化的温度系数： 具有不大的负温度系数 离子位移极化的温度系数：具有正的温度系数 松弛极化的温度系数：可能出现极大值
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当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质 的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数
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（1）无极分子： 正负电荷重心重合， u分子 0
位移极化
E0
二、极化的微观机制
+
-
感应偶极矩
例如， He、H2、 N2、 CO2 、CH4等。
（2）有极分子： 正负电荷重心不重合， u分子 0
+ 取向极化
+ + + -
E0
固有偶极矩
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例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。
U
Q'd Q' P Sd S
S 1 U r 0 r - 1Q 0 r - 1UC 0 d S S S
εr
Q 0 Q' Q' 1 Q0 Q0
P r -1 0 E

P n 0Ee
n 0Ee r 1 0E
Q0 C0 U ε0 S C0 d
电介质材料的三个基本参数：
介电常数、介电损耗、介电强度
1. 介电常数
介电性：
将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极 之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空 为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电 性。 介电常数：用来表示材料介电性的大小的参数。
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① 极化能力的表征 ——介电常数
松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱， 电场力
使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。
比位移极化移动较大距离，建立的时间较慢，约为10-2 s； 移动时需克服一定的势垒，需吸收一定的能量，是非可逆
的过程； 离子松弛极化率与温度成反比；热运动越剧烈对弱离子规 则运动阻碍越大。
离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料
响应时间也较短
温度升高，出现极化程度增强趋势。
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3、偶极子转向极化
E0
受到分子热运动的无序化作用、电场的有序作用 和分子间的相互作用，建立时间较长。 非弹性的、随温度的升高而下降、响应时间较长 9
3、偶极子转向极化
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4、松弛（弛豫）极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。
性增强，极化率下降；
自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。
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电介质的介质损耗
在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（εs）。
电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟，
定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的 电容量C0的比值为该电介质的相对介电常数：
C r C0 0
D D r E E 0
D ：介质中的电位移，仅与自由电荷的密度有关； E ：介质中的总电场强度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。