材料物理与性能学-电子课件 第05章.ppt

第第5章章 材料的介电性能材料的介电性能 5.1 介质极化和静态介电系数介质极化和静态介电系数5.1.1 电介质极化及其表征电介质极化及其表征电介质内部没有自由电子，它是由中性分子构成的，是电的绝缘体所谓中性，是指分子中所有电荷的代数和为零，但是从微观角度来看，分子中各微观带电粒子在位置上并不重合，因而电荷的代数和为零并不意味着分子在电场作用下没有响应由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移，被称作束缚电荷，束缚电荷，也叫极化电荷极化电荷与外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性，如图5.1所示，平板电容器中电介质表面电荷就是这种状态在外电场的作用下，这些带电粒子可以有微观的位移，这种微观位移将激发附加的电场，从而使总电场变化电介质就是指在电场作用下，能建立极化的一切物质5.1.2 电介质极化的微观机制电介质极化的微观机制如果以作用质点的性质分，介质的极化一般包括三部分：电子电子极化、离子极化极化、离子极化和偶极子转向极化偶极子转向极化通常意义上，电介质极化是由外加电场作用于这些质点产生的，还有一种极化与质点的热运动有关。

因此，极化的基本形式又可分为两种：一种是位移式极化位移式极化，这是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量电子位移极化、离子位移极化属这种情况；第二种是松弛极化松弛极化，这种极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型5.1.2.1电子位移极化电子位移极化在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性在电场作用下，正、负电荷重心产生相对位移（电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程），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变极化，如图5.2所示5.1.2.2离子位移极化离子位移极化离子晶体中，无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性，但在电场作用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，如碱卤化物晶体就是如此图5.3所示是离子位移极化的模型5.1.2.3 固有电矩的取向极化固有电矩的取向极化电介质中电偶极子的产生有两种机制：一是产生于“感应电矩感应电矩”；二是产生于“固有电矩固有电矩”。

前者是在电场的作用下，才会产生，如电子位移极化和离子位移极化；后者存在于极性电介质中，本身分子中存在不对称性，具有非零的恒定偶极矩没有外电场作用时，电偶极子在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它的带电特征；如果将该系统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化，这个过程被称为取向极化取向极化或转向极化转向极化见图5.45.1.2.4松弛极化松弛极化有一种极化，虽然也是由外加电场所造成的，但是它还与带电质点的热运动状态密切相关例如，当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等松弛质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场的作用使它们有序分布，平衡时建立了极化状态这种极化具有统计性质，称为热松弛（弛热松弛（弛豫）极化豫）极化极化造成的带电质点的运动距离可与分子大小相比拟，甚至更大由于极化是一种弛豫过程，故极化平衡建立的时间较长，为10-910-2s，并且创建平衡要克服一定的势垒，故需要吸收一定的能量，因此，与位移极化不同，松弛极化是一种非可逆过程5.1.2.5空间电荷极化空间电荷极化空间电荷极化是不均匀电介质（或者说是复合电介质）在电场的作用下的一种重要的极化机制。

在不均匀电介质中的自由电荷载流子（正、负离子或电子）可以在晶格缺陷、晶界、相界等区域积聚，形成空间电荷的局部积累，使电介质中的电荷分布不均匀在电场的作用下，这些混乱分布的空间电荷趋向于有序化，即空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的正、负极方向移动，其表现类似于一个宏观的电矩群从无序取向向有序取向的转化过程，这种极化称为空间电荷极空间电荷极化化，如图5.5所示5.1.2.6自发极化自发极化以上介绍的极化是介质在外加电场作用下引起的，没有外加电场时，这些介质的极化强度等于零还有一种极化叫自发极化，这是一种特殊的极化形式这种极化状态并非由外电场引起，而是由晶体的内部结构造成的在这类晶体中，每一个晶胞里存在固有电偶极矩，即使外加电场除去，仍存在极化，而且其自发极化方向可随外电场方向的不同而反转，这类材料称为铁电体5.1.3 宏观极化强度与微观极化率宏观极化强度与微观极化率对一个分子来说，它总是与除它自身以外的其他分子相隔开，同时又总与其周围分子相互作用，即使没有外部电场作用，介质中每一个分子也处于周围分子的作用之中当外部施加电场时，由于感应作用，分子发生极化，并产生感应偶极矩，从而成为偶极分子，它们又转而作用于被考察分子，从而改变了原来分子间的相互作用。

因此，作用在被考察分子上的有效电场就与宏观电场不同，它是外加宏观电场与周围极化了的分子对被考察分子相互作用电场之和即与分子、原子上的有效电场、外加电场 、电介质极化形成的退极化场 、还有分子或原子周围的带电质点的相互作用有关克劳修斯-莫索堤方程表述了宏观点极化强度与微观分子（原子）极化率的关系5.1.3.1有效电场有效电场当电介质极化后，在其表面形成了束缚电荷这些束缚电荷形成一个新的电场，由于与极化电场方向相反，故称为退极化场 ，见图5.6根据静电学原理，由均匀极化所产生的电场等于分布在物体表面上的束缚电荷在真空中产生的电场，一个椭圆形样品可形成均匀极化并产生一个退极化场因此，外加电场 和退极化场 的共同作用才是宏观电场 ，即5.1.3.2克劳修斯克劳修斯-莫索堤方程莫索堤方程电极化强度可以表示为单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和，即5.1.4 影响介电常数的因素影响介电常数的因素首先是极化类型的影响，电介质极化过程是非常复杂的，其极化形式也是多种多样的，介质材料以哪种形式极化，与它们的结构紧密程度相关环境对介电常数的影响，首先是温度的影响，根据介电常数与温度的关系，电介质可分为两大类：一类是介电常数与温度呈强烈非线性关系的电介质，对这一类材料很难用介电常数的温度系数来描述其温度特性。

另一类是介电常数与温度呈线性关系，这类材料可以用介电常数的温度系数 来描述其介电常数与温度的关系介电常数温度系数介电常数温度系数是温度变动时介电常数 的相对变化率，即5.2交变电场中的电介质交变电场中的电介质 5.2.1 复介电常数复介电常数在变动的电场下，上节的静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数复介电常数，下面以平板电容器为例说明复介电常数5.2.2 介电弛豫的物理意义介电弛豫的物理意义介质在交变电场中通常发生弛豫现象在一个实际介质的样品上突然加一电场所产生的极化过程不是瞬间完成的，有一定的滞后，这种在外电场施加或移去后，介质系统弛滞达到平衡状态的过程叫做介质弛豫介质弛豫弛豫这个概念是从宏观的热力学唯象理论抽象出来的它的定义是：一个宏观系统，由于周围环境的变化，或它经受了一个外界的作用，而变成非热平衡状态，这个系统经过一定时间由非热平衡状态过渡到新的热平衡状态的整个过程就称为弛豫5.2.3 德拜弛豫方程德拜弛豫方程 5.2.4 谐振吸收和色散谐振吸收和色散5.2.5 介质损耗介质损耗任何电介质在电场（直流、交流）作用下，总有部分电能转化为热能等其他形式的能，统称为介质损耗介质损耗，它是导致电介质发生热击穿的根源。

电介质在单位时间内消耗的能量称为电电介质损耗功率介质损耗功率，简称电介质损耗电介质损耗5.2.5.1 介质损耗的形式和微观机理介质损耗的形式和微观机理电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关加上电场后通过介质的全部电流包括： 由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量； 由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗极化损耗； 由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗电导损耗5.2.5.2 介质损耗的表示法介质损耗的表示法1）在直流电压下，介质损耗仅由电导引起，损耗功率为：2）在交变电场下，除电导损耗外，还有因介质极化（尤其是取向极化）而引起的能耗 5.2.6 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素影响材料介质损耗的因素可分为两类一类是材料结构本身的影响，如不同材料的漏导电流不同，由此引起的损耗也各不相同，不同材料的极化机制不同，也使极化损耗各不相同，这里不详加讨论主要讨论第二类情况，也就是外界环境或试验条件对材料介电损耗的影响5.2.6.1 介质损耗与频率的关系介质损耗与频率的关系1) 当类似恒定电场作用时，松弛极化经过一定时间还是能够充分完成而达到稳定状态，极化损耗可以忽略，介质损耗只有电导损耗。

2）低频区3）反常弥散区4）高频区 5.2.6.2 介质损耗与温度的关系介质损耗与温度的关系在德拜公式中虽未直接表明与温度的关系，但是在式中，、W、都与松弛时间有关注意到 1) 低温区即 很大， ，此时由于分子热运动很弱，与热运动有关的松弛极化建立的速度很慢，以致在相应的频率下，松弛极化远远滞后于电场的变化，松弛极化对介电系数的贡献很小，主要由快极化提供 2) 反常分散区 3) 高温区5.2.6.3 介质损耗与湿度的关系介质损耗与湿度的关系介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松弛极化损耗增加，而使增大对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如纸内水分含量从4%增加到10时，其 可增加100倍5.2.7 材料的介质损耗材料的介质损耗5.2.7.1 无机材料中的两种损耗形式无机材料中的两种损耗形式1）电离损耗又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗其损耗功率可以用下式近似计算2）结构损耗结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。

结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但 和频率无关5.2.7.2 无机材料的损耗无机材料的损耗1）离子晶体的损耗各种离子晶体根据其内部结构的紧密程度，可以分为两类：一类是结构紧密的晶体；另一类是结构不紧密的离子晶体 2）玻璃的损耗无机材料中除了结晶相外，还有含量不等的玻璃，一般可含20%40，有的甚至可达60（如电工陶瓷），通常电子陶瓷含的玻璃相不多 3）陶瓷材料的损耗陶瓷材料的损耗主要来源于电导损耗、松弛损耗和结构损耗此外表面气孔吸附水份、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗5.2.7.3 高聚物材料的介电性能与损耗高聚物材料的介电性能与损耗高聚物在电子电工领域最常见的用途是作为电绝缘材料由于它们不仅具有优异的介电性能，又具有良好的力学性能、耐化学品性能及易成型加工性能，使它们比其他绝缘材料具有更大的使用价值，迄今已成为电气工业不可缺少的材料高聚物在外电场作用下出现的对电能的贮存和损耗的性质，称为高聚物的介电性高聚物的介电性，其介电性都是由分子在外场中极化引起的，产生极化的方式主要包括电子极化、原子极化和取向极化，这与前面的介绍类似高聚物的介电损耗高聚物的介电损耗是指在交流电场中电介质会损耗部分能量而发热，产生介电损耗的原因有两个。

一是电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，由于克服内摩擦力需要消耗部分电能，称为电导损耗电导损耗，对非极性高聚物来说，电导损耗可能是主要的 5.3固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导与击穿5.3.1固体电介质的电导固体电介质的电导5.3.1.1 概述概述理想的。