固体物理-第六章-固体的介电性质概要.ppt

6.3.交变电场中的介质极化 在本征红外频率和本征紫外频率出现将出现反常和共振吸收.如下图所示. 微波 红外 紫外 e’ e ee eea w 6.4.电介质的损耗 任何电介质处于电场中，尤其是在交变电场中长期工作，都会有发热的现象。这说明介质内部发生了能量损耗，这就是介电损耗。如果是静电场，介电损耗来源于介质中的电导过程。而对于交变电场，介电损耗既与介质中的电导过程有关，也和弛豫过程有关。对于铁电体，前者可以忽略不计，主要是弛豫损耗。 6.4.1．弛豫损耗 设交变电场为 E=E0eiwt, 式中w,t, E0分别为频率,时间和电场幅值. 由于存在弛豫，介电常数是复数，由 D(t)=e0[eear+(er -eear)/(1+iwt)]E0eiwt =e*E(t) 可见电位移也是复数。其实部为， D=(e’E0coswt+e’’E0sinwt), 6.4.电介质的损耗 6.4.1.1 这里e’和e’’分别为包括e0在内的介电常数的实部和虚部。 6.4.电介质的损耗 因而,电介质内的位移电流为, JD=?D/?t=E0w(e’’coswt-e’sinwt) 6.4.1.2 6.4.1.2表明,位移电流的第一项与电场同相位,是有功电流，第二项落后电场p/2,为无功电流 由此可得,单位体积电介质单位时间内损耗能量为， W=(w/2p)?02p /wJDEdt=wE02e’’/2 6.4.1.3 6.4.电介质的损耗 引起电介质能量损耗的是与极化有关的有功电流.由6.4.1.3可见，弛豫损耗与e’’成正比。 6.4.电介质的损耗 6.4.2.损耗因子 弛豫损耗通常用损耗因子来描述.电介质的极化弛豫使得电位移D落后电场一个相位角d (d与频率有关,频率越高，d越大)。从而 电位移的实数部分, D=D0cos(wt-d)=D0cosd coswt+D0sind sinwt，与6.4.1.1 6.4.电介质的损耗比较可得, e’= (D0 cosd)/E0 6.4.2.1. e’’= (D0sind )/E0 6.4.电介质的损耗 6.4.2.2. 把6.4.2.2.式代入6.4.1.3 6.4.电介质的损耗式得, W=0.5wE0D0sind 6.4.2.3. 由此可见，损耗与sind成正比.通常称sind为损耗因子,d为损耗角. 6.4.电介质的损耗 当电场频率较低时,d小, sind ≈tand W=0.5wE0D0tand 6.4.2.4. 显然, 根据6.4.2.1. 和6.4.2.2.，6.4.电介质的损耗有, tand =e’’/e’=wt(e-eea)/(e+eeaw2t2) 6.4.2.5 w→0, d→0, 静电场中没有介电损耗。tand-w关系示于左图.由图可见，首先随频率增加，tand增加，当w=w m=1/t, tand最大,再提高频率,偶极矩跟不上频率变化, tand反而减少. tand-w关系 w tand wm 0 T1 T2 T1T2 6.4.电介质的损耗 由于tand与t有关，t与温度和电场强度有关，所以, tand与温度和电场强度有关. 下图是它和温度的关系.低温时偶极矩不随外电场变化， 弛豫损耗很小，高温时，偶 极矩热运动加剧弛豫损耗也 少，只有在适当的温度有弛 豫损耗的最大值。但是，如 果温度特别高，由于电导率 随温度呈指数增加，电损耗 起主要作用，所以损耗因子又随温度增加而增加。 T tand Tm 0 w1 w2 tand-T关系 6.5.铁电体 什么是铁电体？ 在某温度范围内具有自发极化强度，在外电场作用下具有类似磁滞回线的电滞回线的物质。 例如，酒石酸钾钠（罗息盐 NaKC4H4O6.4H2O）, 磷酸氢钾(KH2PO4)，钛酸钡(BaTiO3)。 铁电体实际上是热释电晶体的一种类型。 热释电晶体是指具有自发极化的晶体，但因为表面束缚电荷被某些自由电荷抵偿，其电矩不能显示出来，当温度变化时正负电荷中心发生相对位移使其自发极化变化，而且这种变化所产生的电矩变化不能被抵偿时，才能够显示其固有极化。 6.5.铁电体 6.5.1．铁电体的一般性质 1.铁电体具有与铁磁体平行的特性。而且有与铁磁体对应的特性参数. 电滞回线P-E 对应 磁滞回线M-H 剩余极化强度 对应 剩余磁化强度 介电常数 对应 磁导率 饱和极化强度 对应 饱和磁化强度 2.不同之处 表面的束缚电荷可被自由电荷中和。温度变化正负电荷中心会相对位移使其自发极化强度变化。自发极化与自发磁化的机理不同。 E P C F O B A Pr Ps Pmax H Ec G C.铁电体的极化 6.5.铁电体 6.5.2．电畴结构与多畴体