材料物理性能测试技术讲课-介电特性分析.ppt

材料物理性能测试技术—材料的介电性能;本章知识结构;电介质及其极化 ;介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料 电介质：在电场作用下能建立极化的物质。 在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷称为感应电荷，又称束缚电荷。 ;电极化的定义;电容:当两个临近导体加上电压后具有存储电荷能力的量度 电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF) 和皮法(pF) ;法拉第发现，当一种材料插入两平板之间后，平板电容器的电容增加。现在已经掌握，增大的电容应为： ;在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷 电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。 ;极化的相关物理量 ;q为所含电量； L为正负电荷重心距离 ;电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电荷重心将发生分离，产生电耦极矩 极化电荷：是指和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 描述电介质这种性质的参数 极化强度 介电常数 ;电介质极化的机制 电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。 位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。 这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S 可逆 与温度无关 产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关;电介质的极化 电子位移极化：在外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核位移 ;电介质的极化 原子（离子）位移极化：外电场引起的原子核之间的相对位移，相当于一感生偶极矩 极化晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩 也可???看做离子间的键合在电场作用下被拉长;电介质的极化 取向极化 ：偶极子沿电场方向择优排列 沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化） ;;取向极化： （1） 在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的； （2） 响应时间 10-2~10-10S （3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的偶极子是永久性的。 （4）随温度变化有极大值 ;电介质的极化 非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化＋原子（离子）极化（诱导偶极矩） 极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原子（离子）极化和取向极化 ;6) 空间电荷极化： 可动的载流子受到电场作用移动，受到阻碍而排列于一个物理阻碍前面时产生的极化。 物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。 反应时间很长，几秒到数十分钟； 随温度升高而减弱； 存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；;分子极化过程是弛豫过程 电子极化：?10－15s 原子极化： 10－13～ 10－14 s 取向极化：10－9s 空间电荷极化：～ 10－2s 决定了相对介电常数与介电损耗随交变电场频率的变化而呈现不同的特征 ;小结： （1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。 （2）材料的组织结构影响极化机制。 ;光学性质;几个重要的物理参量;; 在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CC0 真空介电常数：ε0 =8.85×10-12 F. m-1(法拉/米) 相对介电常数：εr 介电常数（电容率）： ?=?0?r(F/m) 介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。 ;介电击穿：各种电介质都有一定的介电强度，不允许外电场无限加大。当电场足够高时，通过电介质的电流是如此之大，致使电介质实际上变为导体，有时还能造成材料的局部熔化、烧焦和挥发 介电强度：是指电介质不发生电击穿条件下可以存在的最大电位梯度，单位为V?mm-1 通常在两导电极板之间放置电介质，是为了使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高 ;极化强度 极化强度P是电介质极化程度的量度，定义式为： ;可以证明，电极化强度就等于分子表面电荷密度σ 假设每个分子电荷的表面积为A，则电荷占有的体积为lA，且单位体积内有Nm个分子，则单位体积有电量Nmq，那么，在lA的体积中的电量为NmqlA，则表面电荷密度 ;电极化强度不仅与外加电场有关，而且还和极化电荷所产生的电场有关，即电极