电介质物理课件(2013-3)

1、2019/4/21,1,第三章 电介质的电导,本章讲解实际介质在电场作用下的有限电导过程及微观机理。 概述 气体介质的电导 液体介质的电导 固体介质的电导,2019/4/21,2,3-1 概述,一、载流子 离子 从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子 带电的分子团-胶粒 液体介质中的水珠 电子 极少，在特殊条件下出现 二、导电机构 离子电导 由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导； 由杂质离子产生的杂质离子电导。 电泳电导 带电胶粒形成的基团产生的电导。 电子电导 一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。,2019/4/21,3,三、电导率与迁移率的关系,2019/4/21,4,欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手： 减小电介质的载流子数, 降低迁移率。,极化和电导的区别：,2019/4/21,5,介质的电导有: 体积电导:西门子/米（用s/m或者s/cm表示） 表面电导:西门子 与电介质的性质有关，与电介质表面吸附的导电杂质有关。,2019/4/21,6,3-2 气体介质的电导,一、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）,气体介质的电流-电压关系,2019/4/21,7,

2、二、气体介质中的载流子浓度,2019/4/21,8,在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。,2019/4/21,9,高电场区 如电场很高，例如E106V/cm，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使n随E的增大指数增加，导致电流的指数增大。,2019/4/21,10,气体介质多处于饱和电流区工作,气体介质饱和电流大小的估算是有实际意义的.如何估算?请同学考虑,2019/4/21,11,上次课内容: 电导率宏观与微观的关系 提高介质的绝缘性能的方法 气体介质的电流-电压关系,2019/4/21,12,3-3 液体介质的电导,液体介质结构特点： 具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的1000多倍),具有较大的流动性。 常见的液体电介质： 矿物油变压器油、电容器油； 植物油蓖麻油、桐油； 有机溶剂苯、甲苯、四氯化碳； 新型液体介质十二烷基苯、硅油、酯类油。 液体电介质的电导率： 纯液体介质具有很低的电导率=10-1310-15（cm）-1， 含有杂质的液体介质的电导率=10-910-13（cm）-1。 液体电介质的电导种类：离子电导，电泳电导,2019/

3、4/21,13,一、液体介质的离子电导 离子的来源: 本征离子：液体本身的基本分子热离解. 杂质离子：外来杂质分子离解， 液体本身的基本分子老化的产物 二、离子电导率与温度的关系,2019/4/21,14,2019/4/21,15,液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同,2019/4/21,16,二、液体介质的电泳电导,1.载流子胶粒 来源：1）加树脂（提高粘度、稳定性）悬浮离子； 2）过量的水细小水珠。,特点：1）胶粒为分子的聚集体，大小在10-610-10m； 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3）胶粒为带电体，带电规律：,胶粒的介电常数比液体大，带正电 胶粒的介电常数比液体小，带负电,2019/4/21,17,2.华尔顿定律,2019/4/21,18,华尔顿定律,适用范围有限：温度范围有限 不适合杂质离子电导,2019/4/21,19,3. 液体电导主要是杂质和胶粒，这都不是液体介质的本征特性。可以通过在液体介质中加硅胶和活性剂的精制方法来改善液体介质的性能。 液体的本征离子电导是不能去除的,是其本身特性.符合华尔顿定律. 液体介质的电泳电导注意两点: 电导率与介电常数的

4、平方成正比 电泳电导对液体电导率的影响高于液体的离子性电导,2019/4/21,20,3-4 固体介质的电导,固体介质按结构可分为： 晶体 非晶体 固体介质的电导按导电载流子的种类可分为： 离子电导 在弱场中主要是离子电导 电子电导 某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙， 钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈现出电子电导的特性。 固体介质导电性质的判断： 霍尔效应 判断电子电导 法拉第效应判断离子电导,2019/4/21,21,霍耳效应,2019/4/21,22,法拉第效应：,上次课内容: 液体介质的离子电导率与温度的关系 华尔顿定律 液体介质的电泳电导特点 固体介质的本征离子电导来源,2019/4/21,25,参与电导的离子为本征和杂质离子,一、晶体介质的离子电导,2019/4/21,26,2019/4/21,27,2019/4/21,28,2019/4/21,29,低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导； 高温时主要由活化能高的本征离子引起电导。,2019/4/21,30,二、无定形固体介质的电导,玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能U为平均值。,2019/4/2

5、1,31,2含碱玻璃的电导: 杂质：Na2O，K2O，Li2O（典型的弱束缚离子）形成断键 引入一价金属离子的影响： 1结构松散，使U下降，电导增加。 2缺陷离子数增加 ，电导增加，也与R2O的浓度成正比,2019/4/21,32,中和效应：当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损耗，这种效应称为“中和效应”。,压抑效应：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金属氧化物（CaO、BaO等），由于二价碱土金属可使玻璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。,3）降低玻璃的电导方法:,2019/4/21,33,三、固体介质的表面电导,2019/4/21,34,绝缘电阻与体积、表面电阻的关系,芯片电容器不同工艺断面图,2019/4/21,36,注：1测量电极 2.高压电极 3.保护电极 4.被测试样,三电极系统,2019/4/21,37,体积电流的测量 表面电流的测量 （M主电极； H对电极； G保护电极。） 体积电流和表面电流的测量,2019/4/21,38,1.表面吸附的水膜对表面电导的影响

6、 2.表面清洁度对表面电导的影响 表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。 3.分子结构对表面电导的影响 亲水介质 疏水介质,亲水介质：浸润角90,强极性 对水分子的吸引力强，超过水分子之间的分子内聚力，这类介质表面所吸附的水分子容易形成连续的水膜，使表面电导增加。,非极性 对水分子的吸引力小于水分子之间的内聚力，吸附水在介质表面成为孤立的水滴，大气湿度对表面电导的影响很小,影响表面电导的因素：,2019/4/21,39,六、固体介质的电子电导,主要为： 禁带宽度（Eg）较小的电介质和薄膜介质。 来源： 金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。 运动形式：能带模型（Energy Band Model）； 跳跃模型（Hopping Model）； 自由电子气模型（Free Electron Gas Model）,2019/4/21,40,1. 能带模型,2019/4/21,41,2019/4/21,42,当Eg3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显。 但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级。,2019/4/21,43,2. 跳跃模型,各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电。 越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起的热激发。,2019/4/21,44,3. 自由电子气模型,在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电极注入方式引起电荷注入型电流。,Child Law,2019/4/21,45,1试分析气体介质的载流子来源？解释气体介质的jE曲线？ 2试分析液体介质的载流子来源？并推导液体介质中离子的平均迁移率公式。 3什么是华尔屯定律？阐述它的用途及应用范围？ 4电泳电导的定义？ 5固体电介质中载流子有几种类型？并说明其对电导的影响及与温度的关系？ 6若晶体的电阻率与温度的一组测试数据如下： ln 12 11 10 8 (1/T)103 1.5 1.25 0.99 0.74 求激活能？ 7指出降低玻璃电导的主要途径？ 8. 表面电导的影响因素有哪些？如何在实验上区分体积电导与表面电导,电介质物理第三章习题,

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