介质工程与光纤技术作业一讲解.pdf

介质工程与光纤技术作业一介质工程与光纤技术作业一 求面心立方、体心立方的坐标与体积 解：(1) 面心立方的晶胞结构如下图所示： 这种结构除顶角上有原子外，在立方体的 6 个面的中心处还有 6 个原子，故称为面心立方每个顶角处的原子为 8 个晶胞共有，每个面为两个相邻的晶胞所共有，因此面心立方的晶胞具有 4 个原子（其实从这里也可以得出 V=(a^3)/4 的结论） 面心立方的原胞取法如下图所示 其基矢为 1)(2)(21)(2)(21)(2)(21321jiabaaikaacakjacbarrrrrrrrrrrrrrr+=+=+=+=+=+=所取原胞的体积3 32141)(aaaa=ו=Ωrrr，原胞中只包含一个原子 另外选基矢，计算！ （2）体心立方的晶胞结构如下图所示： 除立方体顶角上有原子外，还有一个原子在立方体的中心，故称为体心立方该晶胞包 含 2 个原子（其实从这里也可以得出 V=(a^3)/2 的结论） ，原胞的选取如下图所示： 2基矢取为： )(2)(21)(2)(21)(2)(21321kjiacbaakjiacbaakjiacbaarrrrrrrrrrrrrrrrrrrrr−+=−+=+−=+−=++−=++−=原胞的体积为3 32121)(aaaa=ו=Ωrrr3另外取基矢 介质工程与光纤技术作业二 1 什么是电介质的极化？表征介质极化的 宏观参数是什么？什么是电介质的极化？表征介质极化的 宏观参数是什么？ 解：置于电场中的电介质，沿电场方向产生偶极矩，在电介质表面产生束缚电荷的现象称为电介质的极化现象。

宏观参数有介电常数ε、介电损耗δtg、电导G、击穿场强Eb 42 什么叫退极化电场？如何用极化强度什么叫退极化电场？如何用极化强度 P 表 示一个相对介电常数为表 示一个相对介电常数为rε 的平行板介质电 容器的退极化电场、平均宏观电场、电容器 极板上充电电荷所产生的电场的平行板介质电 容器的退极化电场、平均宏观电场、电容器 极板上充电电荷所产生的电场 解：电介质表面形成的束缚电荷产生的与原 电场方向相反的附加电场成为退极化电场平行板介质电容器的退极化电场强度0εPEd−=平均宏观电场)2(3) 1(330+=−+=+=rriEEEPEEεεε3 试写出洛仑兹有效电场的表达式适合洛 仑兹有效电场时，电介质的介电系数试写出洛仑兹有效电场的表达式适合洛 仑兹有效电场时，电介质的介电系数ε和极 化率和极 化率α有什么关系？其介电系数的温度系数 的关系式又如何表示？有什么关系？其介电系数的温度系数 的关系式又如何表示？ 解： 21iEEEE++=式中 E——极板上自由电荷所产生的电 场强度，即电介质内宏观平均电场强度； E1——球外分子作用产生的电场强度； E2——球内分子作用产生的电场强度。

介 电 系 数ε和 极 化 率α的 关 系 ：0000003213)2(11εα εεε εα εαεnn EEnrrri r=+−++=+=54 若用若用E1表示球内极化粒子在球心所形成 的电场，试表示洛仑兹有效电场中表示球内极化粒子在球心所形成 的电场，试表示洛仑兹有效电场中E1=0 时 的情况时 的情况 解：EEirr32+=ε5 试述试述 K-M 方程赖以成立的条件及其应用 范围方程赖以成立的条件及其应用 范围 解：对于非极性电介质和低压力极性气体电 介质，由于分子漫无规则排列；或者高对称 排列的立方点阵离子或原子晶体， K-M 方程 是成立的反之，对于极性液体或固体分子 间相互作用极为强烈，作用于分子的内电场 不等于莫索缔内电场除以上范围外，K-M 方程亦可应用于光频范围作用下的电介质 第三次作业第三次作业 ∫∞−−−∞∞−+−=tittimrrsmrdtetEtEtPiτωεεεωεετsin)(sin) 1()(00 其中， ∫∫∫∫∫∞−−−−−∞−−−∞−−−∞−−∞−−−−−=−=−==tittiittitttttiitttiittitttttitittidtettetedettedttetedetdtetiiiiiiiiiτωτωωτωωωτωωωωωωτωτττττττττsin)(cossincossincossinsinsin2622)(1cossin )(1cossinsinτωωτωω τωωτωω τωττ τ +−=+−=∴−−∞−−−∫tttetedtetittitttittiiii代入原式中得： )cos(sin)(1)(sin) 1()(200ttEtEtPm rrsmrωτωωτωεεεωεε−+−+−=∞∞第第 4 次作业次作业 1． 具有松弛极化的电介质， 加上电场以后松弛极化强度与时间的关系如何描述？宏观上表现出来的是什么电流？ 答：在交变电场的作用下，松弛极化强度与时间的关系为： )cos(sin)(1)()(20ttEtPm srωωτωωτεεε−+−=∞ 宏观上表现出来的是一基频交流电。

2．如何判断电介质是松弛极化？ 答： （1）松弛极化要经历较长的时间才能从建立极化达到稳定状态 （2） 介质损耗由贯穿电导损耗和松弛损耗两部分组成，因此可通过测量介质损耗中有 没有松弛损耗部分来判断电介质是否松弛极7化 （3）由于松弛极化滞后外施电场而引起ε、p随频率迅速变化和δtg出现峰值，因此 可利用这一点来判断 第五次作业第五次作业 简述目前功能电介质的发展简述目前功能电介质的发展 答： （（1）压电材料）压电材料 压电性是电介质所独有的； 其原理老师已经在上课时做了讲解 利用压电材料的电声换能特 性，它被广泛应用于水下通讯和探测领域；在电子技术上的计时，稳频，滤波器件也一直是 压电材料应用的另一重要方面 与此同时， 近几年来以压电材料的电声转换功能为基础的超 声技术已经从一般的对机械构件的探伤发展到人体分层断面的成像和超声显微镜 而压电陶 瓷的研制成功使超声应用从工业清洗发展到民用的洗碗机、超声喷雾、负离子发生器等；压 电点火也从炮弹引爆的应用发展到民用的电子煤气灶和电子打火机 （2）光电材料 （2）光电材料 在电力电子行业中利用电介质的光电效应可制成各种光电/电光元器件，例如光敏电阻，光 桥，光耦合、光逻辑器件等等。

此外在其他领域一些电介质也由于其出色的光电特性而得到 广泛应用，诸如在通信系统发展的过程中，光纤的制造就离不开光电功能电介质；而在能源 行业中，由光电材料制成的太阳能电池早已进入了千家万户 （（3）介电材料）介电材料 这里的介电材料主要指利用介电常数的实部和虚部的材料， 目前主要用做电容器的介质， 要 求有高的介电常数和击穿电场，还要有低的损耗和漏电流 （（4）热敏材料）热敏材料 热电效应是电介质的另一大特性，利用这一特性所制成的热敏元件也广泛应用于工业生产 中 其中最常见的包括： 用于测量温度的温度计， 体温计； 用于控制温度的调节器和恒温槽； 用于测量各种物理量的气压计，风速计，流体流量计，微波功率计；用于稳压，稳流和过电 流保护的装置；用于晶体管电路的温度补偿，放大器的自动增益调整等 （（5）微波材料）微波材料 通常来说， 电介质的介电损耗实有害的因素， 但在当代人们将这种损耗应用于军事尖端技术， 制成新型的复合涂层材料 飞机的外壳在涂上这种复合电介质材料后能强烈吸收雷达的电磁 波而将反射减少到最低限度从而成为雷达侦测不到的隐形飞机 （6）生物电介质 （6）生物电介质 在生物体内是以生物高分子（生物电介质）来实现遗传信息的储存和揭示的，诸如核酸和蛋 白质体系， 这是通过生物化学过程完成的。

其模拟方式就是最近得到高度发展的基因工程和8细胞工程 而最引人瞩目的是其信息储存的高密度 近代计算机技术的发展要求具有极高贮 存密度的信息材料， 同时又要求高的写入速度和读出速度， 这就可以从生物电介质方面进行 仿生，从而制造出兼具优秀的信息容量以及读写速度的新型存储介质 （7）液晶 （7）液晶 液晶是一类重要的电介质功能材料， 它处于液态和晶态之间的中间态， 既具有液体的易流动 性，又具有晶体的某些各向异性特点液晶最广为人知的应用就是制造电子工业的显示器， 例如计算机和电子手表等 这种显示显示器的最重要特点之一就是其所需要的功耗远小于其 他材质的显示器近来，大屏幕液晶图像显示和电视显示也日益受到人们的青睐 第六次作业第六次作业 证明：设折射率分别是空气，纤芯，包层，空气入射角，纤芯出射角，包层出射角 在纤芯和包层界面全反射： 假设纤芯折射率接近玻璃 1.5，空气折射率接近 1，则上试计算结果为 0.2116，对应数值孔 径 12.2162 度。