第四章-1 电介质材料 (基础知识)
电介质理论(一)资料课件
01
02
03
分子极性
分子极性是影响介电常数 的重要因素，极性分子容 易在电场中发生取向极化 ，导致介电常数增大。
温度
温度对介电常数有一定影 响，温度升高，分子热运 动增强，减弱了取向极化 ，导致介电常数减小。
频率
对于一些电介质，介电常 数会随频率的变化而变化 ，这种现象称为频率依赖 性。
介电常数的测量方法
电介质理论(一)资料课件
目 录
• 电介质的基本性质 • 电介质材料的介电常数 • 电介质在电场中的行为 • 电介质在电磁场中的性能 • 电介质材料的应用
01
电介质的基本性质
电介质的定义与分类
总结词
电介质是能够被电场极化的物质，通常分为绝缘体、半导体 和电解质。
详细描述
电介质在电场的作用下，内部电荷会发生重新排列，形成与 外电场相反的极化电场，从而降低原电场强度。电介质根据 其导电性质不同可分为绝缘体、半导体和电解质等。
电介质的击穿与耐压特性
总结词
电介质的击穿是指电介质在电场作用下 失去绝缘性能的现象，而耐压特性则是 指电介质能够承受的最大电场强度。
VS
详细描述
当电场强度超过某一临界值时，电介质会 发生击穿，导致电流的突然增加和绝缘性 能的丧失。电介质的耐压特性与其组成、 结构和工艺等因素有关，是评估其电气性 能的重要指标之一。了解和掌握电介质的 击穿与耐压特性对于电力电子、电机控制 、高压输电等领域具有重要意义。
电容法
通过测量电容器电容值的变化来计算介电常数。首先将待测电介质填充在平行 板电容器的两极板之间，然后施加电压并测量电容值，根据公式计算介电常数 。
共振法
利用共振原理测量介电常数。当电介质置于交变电场中时，会产生感应电流， 当交变电场的频率与共振频率一致时，会产生共振，此时测量共振频率即可计 算出介电常数。
《电介质材料》课件
热稳定性与热导率是衡量电介质材料在高温下稳定性和导热性能的物理量。
详细描述
热稳定性是指电介质材料在高温下保持其结构和性能稳定的能力。热导率则反映了材料在加热过程中热量传递的 能力。热稳定性越高、热导率越小，说明电介质材料在高温下的性能越稳定。
机械性能与硬度
要点一
总结词
机械性能与硬度是衡量电介质材料在机械力作用下强度和 硬度的物理量。
通过刻蚀、光刻等技术制 备电介质材料的表面微纳 结构，提高其介电性能和 机械性能。
CHAPTER
05
电介质材料的应用案例
电力系统的电介质材料
总结词
在电力系统中，电介质材料发挥着至 关重要的作用，主要用于绝缘和支撑 。
详细描述
电介质材料在电力系统中主要用于绝 缘和支撑，如变压器、电缆、绝缘子 等。它们能够承受高电压和电流，保 证电力传输的安全性和稳定性。
VS
详细描述
电介质材料是指在电场作用下不导电或导 电能力非常微弱的物质，通常具有较高的 绝缘电阻和介电常数。根据其性质和应用 ，电介质材料可以分为绝缘体、半导体和 电解质等类型。
电介质材料的性质与特点
总结词
电介质材料具有高绝缘性、低导热性、高介电常数等特点，这些性质决定了其在不同领域的应用。
详细描述Βιβλιοθήκη 要点二详细描述机械性能包括弹性模量、抗拉强度、抗压强度等，它们决 定了材料在受力时的表现。硬度则反映了材料表面抵抗被 划伤或刻入的能力，通常用莫氏硬度或维氏硬度来衡量。 机械性能和硬度对于电介质材料的加工和应用具有重要意 义。
CHAPTER
03
电介质材料的电学性能
绝缘电阻与介电强度
绝缘电阻
电介质材料在电场作用下的电阻，反 映了电介质对电流的阻碍能力。绝缘 电阻越大，电介质材料的介电性能越 好，能够承受更高的电压。
第四章 电介质
第四章 电磁介质第一节 电介质一、电介质—绝缘介质1.电介质内没有可以自由移动的电荷 在电场作用下，电介质中的电荷只能在 分子范围内移动。
2.分子电矩·分子—电偶极子(模型)分子的正负电中心相对错开。
·分子电矩二、电介质的极化1.极性电介质的极化p 分+- 电介质分子(1) 极性分子·正常情况下，内部电荷分布不对称， 正负电中心已错开，有固有电矩p 分， ·极性分子：如HCl 、H 2O 、CO 等。
(2)无外电场时·每个分子p 分 ≠ 0·由于热运动，各p 分取向混乱·小体积∆V (宏观小、微观大，内有大量 分子)内 ∑ p 分= 0(3)有外电场时·各 p 分向电场方向取向(由于热运动，取向 并非完全一致)外有外电场 无外电场分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称取向极化2.非极性电介质的极化(1)非极性分子·正常情况下电荷分布对称，正负电中心重 合，无固有电矩。
·非极性分子：如He 、 H 2、 N 2、 O 2、 CO 2等。
(2)无外电场时·每个分子 p 分 = 0·∆V 内∑ p 分 = 0 (3)有外电场时·正负电中心产生相对位移，p 分(称感应电矩) ≠ 0E 外分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称位移极化三、电极化强度1.电极化强度·为描写电介质极化的强弱，引入电极化强度矢量。
·定义：单位体积内分子电矩的矢量和或·P 是位置的函数·单位： C/m 2·对非极性电介质，因各p 分相同，有 P = n p 分n ---单位体积内的分子数·综上，对极性、非极性电介质都有 无外电场时， P = 0 有外电场时，P ≠ 0且电场越强 ⇒ | P | 越大2.电极化强度和场强的关系·由实验，对各向同性电介质，当电介质中 电场E 不太强时，有·χe ：电极化率(χe ≥ 0)，决定于电介质性质。
铁电体及其相变
90oC
90oC
铁电相
三角晶系 三重轴的平移
立方相
P
增
四方相
加
三角相
正交相
铌酸锂型铁电体
LiNbO3是已知居里点最高1210oC和自发极化最大0 7C/m2的铁电体
T 结构：三角晶系
Nb位于氧八面体 的中心
T Nb
Li
C
Li位于氧平面内
P 自发极化起因
0
顺电相
铁电相
Li和Nb发生沿c轴的位移;产生c轴的电偶极矩
电容率呈现极大值的温度Tp随频率满足下列关系：
测试频率
冻结温度
2 介电常数随温度变化不符合 居里外斯定律;而是类居里外 斯定律
u
弥散指数
e kB(TpTf) 0
Phys. Rev. Lett, 101, 247602 (2008)
铁电弛豫体有很大的压电效应 电致伸缩系数
0 65PbMg1/3Nb2/3O30 35PbTiO3 : 4×1015 m2/V2
应用举例： 铁电存储器
原理：
两种极化状态
优点： •抗电磁干扰 •非易失性 结构相变 •低功耗
•速度快
Newman原理下的复合材料设计
1921年铁电存储技术 提出
1993年美国Ramtron 国际成功制备出4Kb 的铁电存储器
2008年美国Ramtron 国际成功制备出1Mb 的铁电存储器
J DmaxEdD 0
1 钙钛矿型铁电体
A
最多的一类铁电体;
O-
通式：ABO3 例：CaTiO3
B+
晶体结构：
氧离子形成氧八面体;整个晶体可看成氧八面体共顶点联接 而成 氧八面体间的间隙由A离子占据
电介质材料
（4）空间电荷极化 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯
度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或 大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流 子会发生漂移，它们可能被势阱捕获，也可能在介质不均 匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种 介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是空间电荷 极化。它的频率响应最慢 102 s 。
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的扰动物质的统称。
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。
1、静电场中电介质的极化
在电介质材料的分子中，正、负电荷彼此强烈地束缚 着。在弱电场的作用下，虽正电荷沿电场方向移动，负电 荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成 电流，只能产生微观尺度的相对位移。在电介质内部形成 电偶极矩，而在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应 电荷。
3.2 薄膜组分的表征方法
• 分析内容包括测定表面的元素组成，表 面元素的化学态及元素沿表面横向分布 和纵向深度分布等。
•其中的多数方法都是基于原子在受到激 发以后内层电子排布会发生变化并发生 相应的能量转换过程的原理
1、原子内电子激发及相应的能量过程
（a）-基态电子的内 层电子排布 （b）-K层电子空能 级的形成 （c）-特征X射线的 产生 （d）-俄歇电子的产 生
I jw rC0 w rC0tg V
jw r j rtg C0V ,
I jwC0 r V
其中r 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：
r r jrtg r' jr"
r的实部
' r
大学物理复习第四章知识点总结
大学物理复习第四章知识点总结大学物理复习第四章知识点总结一．静电场：1.真空中的静电场库仑定律→电场强度→电场线→电通量→真空中的高斯定理qq⑴库仑定律公式：Fk122err适用范围：真空中静止的两个点电荷F⑵电场强度定义式：Eqo⑶电场线：是引入描述电场强度分布的曲线。
曲线上任一点的切线方向表示该点的场强方向，曲线疏密表示场强的大小。
静电场电场线性质:电场线起于正电荷或无穷远，止于负电荷或无穷远，不闭合，在没有电荷的地方不中断，任意两条电场线不相交。
⑷电通量：通过任一闭合曲面S的电通量为eSdS方向为外法线方向1EdS⑸真空中的高斯定理：eSoEdSqi1int只能适用于高度对称性的问题：球对称、轴对称、面对称应用举例：球对称：0均匀带电的球面EQ4r20(rR)(rR)均匀带电的球体Qr40R3EQ240r(rR)(rR)轴对称：无限长均匀带电线E2or0(rR)无限长均匀带电圆柱面E(rR)20r面对称：无限大均匀带电平面EE⑹安培环路定理：dl0l2o★重点：电场强度、电势的计算电场强度的计算方法：①点电荷场强公式+场强叠加原理②高斯定理电势的计算方法：①电势的定义式②点电荷电势公式+电势叠加原理电势的定义式：UAAPEdl(UP0)B电势差的定义式：UABUAUBA电势能：WpqoPP0EdlEdl(WP00)2.有导体存在时的静电场导体静电平衡条件→导体静电平衡时电荷分布→空腔导体静电平衡时电荷分布⑴导体静电平衡条件:Ⅰ.导体内部处处场强为零,即为等势体。
Ⅱ.导体表面紧邻处的电场强度垂直于导体表面，即导体表面是等势面⑵导体静电平衡时电荷分布:在导体的表面⑶空腔导体静电平衡时电荷分布:Ⅰ.空腔无电荷时的分布：只分布在导体外表面上。
Ⅱ.空腔有电荷时的分布(空腔本身不带电，内部放一个带电量为q的点电荷)：静电平衡时，空腔内表面带-q电荷，空腔外表面带+q。
3.有电介质存在时的静电场⑴电场中放入相对介电常量为r电介质，电介质中的场强为：E⑵有电介质存在时的高斯定理：SDdSq0,intE0r各项同性的均匀介质D0rE⑶电容器内充满相对介电常量为r的电介质后，电容为CrC0★重点：静电场的能量计算①电容：②孤立导体的电容C4R电容器的电容公式C0QQUUU举例：平行板电容器C圆柱形电容器C4oR1R2os球形电容器CR2R1d2oLR2ln()R1Q211QUC(U)2③电容器储能公式We2C22④静电场的能量公式WewedVE2dVVV12二.静磁场：1.真空中的静磁场磁感应强度→磁感应线→磁通量→磁场的高斯定理⑴磁感应强度：大小BF方向：小磁针的N极指向的方向qvsin⑵磁感应线：是引入描述磁感应强度分布的曲线。
第四章-1 电介质材料 (基础知识)
6）自发式极化
某些晶体具有特殊的结构，其晶胞自身的正负电荷重心不重合，即晶胞具有极性。
由于晶体结构的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐
级影响到相邻的晶胞，使它们的固有偶极矩朝向相同的方向。由于这种局部极
化状态是在外电场为零时自发建立的，称为自发极化。
电畴
具有相同极化方向的自发极化区域，称为电畴。没有外电场时，电畴空间取向平
U
S d
Q'
r - 1 0 E
P n 0Ee
εr
Q0 Q ' Q' 1 Q0 Q0
Q0 U
n 0Ee r 1 0E
提高电介质的介电常数：
提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取极化率 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。
电子位移极化率与温度无关：温度的高低不足以改变原子或离子的半径。
电子位移极化建立的时间很短，约在10-14 ~ 10-16 s范围；如果所加电场为交变
电场，即使电场频率高达光频，电子位移极化也来得及响应。
电子位移极化存在于一切介质中。
实验测量得到的 α e 值并不严格等于
3 40 r 3 ，不同原子和离子 αe / 40 r
D D0 cost
介质的位移电流密度：
j
dD -D0 sin t D0 cos( t ) dt 2
单位时间内单位体积消耗的能量：
W 2
2
0
j Edt D0 E0 2
2
2
sint cos tdt
0
0
交变电场频率很低时，介质中没有极化损耗。
《电介质材料》课件
电介质材料是电子工程领域中的重要组成部分，他们在各种电子设备和应用 中发挥着关键作用。本课件将介绍电介质的基础知识，分类和性能，应用场 景，加工工艺以及未来的发展趋势。
电介质的基础知识
了解电介质的重要性和作用，掌握电介质的基本概念和特性。
1 电介质是什么？
电介质是材料中不带自由电荷的绝缘体。
研发可回收和环保的电介质材料，降低对环境的影响。
结语
电介质材料是现代电子工程中不可或缺的一部分，在各种电子设备和应用中 发挥着重要的作用。希望本课件对您有所帮助，谢谢！
对加工后的电介质材料进行性能测试，确 保产品质量符合要求。
电介质材料的未来发展趋势
展望未来，电介质材料将继续发展和创新，满足不断增长的电子设备需求。
高性能纳米材料
纳米电介质材料的研究和应用将推动电子设备性能的飞跃的电介质材料将开启新一代电子元件的时代。
可回收与环保
医疗设备
电介质应用于医疗成像、激光治疗 和心脏起搏器等高精度设备中。
电介质材料的加工工艺
了解电介质材料的加工过程和技术，以及相关的工艺要点和注意事项。
1
材料选择和预处理
选择适合的电介质材料，并进行清洁和表
成型和加工
2
面处理。
采用模塑、注塑、烧结等技术对电介质材
料进行成型和加工。
3
性能测试和质量控制
性能指标
介电常数、损耗因子、介电强度 等是评估电介质性能的关键参数。
电介质的应用场景
电介质材料广泛应用于各个领域的电子设备中，提升了电子产品的性能和可靠性。
智能手机
电介质用于电池、屏幕、电容器等 部件，实现了更高的能效和更好的 用户体验。
电力系统
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C0
C0
ε0 S d
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：
r 1
n 0Ee 0E
Ee
r 2
3
E
这样的有效电场称为洛伦兹（Lorentz）有效电场，将其代入εr公式：
r - 1 n 0 r 2 3 0
Q0 Q Q0 Q'
E0
U
U E0 d
U
E' E
Q'
Q C0 0 U
C
Q Q0 Q' Q' C0 U U U
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：
r
C C0 0
D D E r E 0
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。
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 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
+q 原子核
电子云 -q
E0 0
电子位移极化模型图
E0
电子位移极化产生的感应偶极矩： μe αe Ee
αe 为电子极化率： αe
40 r 3
（电子位移极化率的数量级为10-40 F.m2）
电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径 r 越大，电子离原子核 越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。
2. 极化的微观机制
电偶极子：
+q
L
-q
电偶极矩 u qL
将分子等效为电偶极子，根据其电偶极矩 u分子 的不同，分为两类： （1）无极分子：正负电荷重心重合， u分子 0 + + + + + + + + + + + + + + + +
E0+-Fra bibliotek感应偶极矩
位移极化
例如， He、H2、N2、 CO2 、CH4等。
U
S d
Q'
r - 1 0 E
P n 0Ee
εr
Q0 Q ' Q' 1 Q0 Q0
Q0 U
n 0Ee r 1 0E
提高电介质的介电常数：
提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取极化率 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。
极性介质 — 组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有
固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和 为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零， 电介质对外表现出感应宏观偶极矩：取向极化
3. 表面感应电荷和退极化场
由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质内形成
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
云母 5
MgSiO3 6.1
金红石（TiO2） 110
钛酸钡 2000
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 104
巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~105
5. 介质极化强度和极化率
为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 P ，它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和：
称为克 — 莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下，联系电介质极化 宏观参数与微观参数的关系式。
7. 电介质极化的类型
电子位移极化、离子位移极化、
偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化
1）电子位移极化 电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，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。
第四章
电介质材料
4-1 电介质物理基础知识 4-2 电容器介质材料 4-3 压电材料和热释电材料
4-1 电介质物理基础知识
4-1-1 电介质及其极化
4-1-2 电介质的介质损耗 4-1-3 电介质的电导和击穿
4-1-4 电介质材料的非电性能
电介质材料的四个基本参数：
ζ 介电常数（ε）、损耗角正切（tanδ）、电导率（ ）、抗电强度（ Eb ）
（2）有极分子： 正负电荷重心不重合，u分子 0
+
E0
+ + -
-
固有偶极矩
+ 取向极化
例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。
非极性介质 — 在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移，
正负电荷相对位移的方向相反，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质 整体来看，就形成了感应宏观偶极矩：位移极化
4-1-1 电介质及其极化
1. 电介质及极化的定义
导体、半导体：
自由电荷
长程迁移
绝缘体：
束缚电荷
4-1-1 电介质及其极化
1. 电介质及极化的定义
导体、半导体：
自由电荷
长程迁移
绝缘体：
束缚电荷
极化
极化：在电场作用下，在电介质表面出现束缚电荷（极化电荷）的现象。 电介质：以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质。
与外电场方向相反的退极化场。
图1 极化使电介质表面出现感应束缚电荷： 图2 表面感应电荷形成退极化场：
Q'
E0 E0 E0 ：外电场
E'
E
E' ：退极化场 介质中的总场强：E E0 E'
介质的极化能力越强，表面感应电荷越多，退极化场越强。
4、极化能力的表征 ——介电常数
P lim
若介质中的电场是均匀的，则有：
i
V
V 0
单位为：C/m2
V μ 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 ，则有：
对于线性极化， μ 与电场强度成正比，有：
P
i
P n0 μ
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；
μ E e
：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 n 0Ee
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： μ Q' d 极化强度： Q' d Q' P Sd S S 1 U r 0 r - 1Q 0 r - 1UC 0 d S S S