3.1 介质的极化.ppt

New Energy Materials Anhui University of Technology Materials Physics Properties * 第三章 材料的介电性能 3.1 介质的极化 3.1 介质的极化 电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010?·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。 陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用。 电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。 目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。 本小节内容 极化现象及其物理量 介质的极化机制 一、极化现象及其物理量 1. 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象 3.1 介质的极化 真空 － + + + + － － － E － + + + + － － － － + + － － + + - + - + - + - + - + - + - + - + - 自由电荷 + - 偶极子 束缚电荷 电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。电偶极矩?=ql（单位：库仑·米），电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷，与外电场方向一致。 质点的极化率?： ?= ?/Eloc ，表征材料的极化能力。 局部电场Eloc：作用在微观质点上的局部电场。 介质的极化强度P：P=??/V，单位介质体积内的电偶极矩总和（或束缚电荷的面密度）。 2. 物理量 3. 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系 两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比： Qo=CoV 两板间放入绝缘材料时，施加电压不变电荷增加了Q1，有： Qo+ Q1 =CV 相对介电常数?r ：电介质引起电容量增加的比例 。 ?r=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo 电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。 结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸可减小。 极板上自由电荷密度： Qo/A= CoV/A=(?o A/d)V/A= ?o E （ E----两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场） 介电材料存在时极板上电荷密度D等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和： 由： D = (Qo+ Q1 )/A 和?r= (Qo+ Q1 )/Qo ，得： D = ?r Qo /A = ?r ?o E 同时， D= ?oE+P = ?o?r E = ? E (?---绝对介电常数） P= (? - ?o)E = ?o (? r- 1) E 电介质的电极化率α：束缚电荷和自由电荷的比例： α =P/?oE= (?r-1) 得： P= ?o α E（作用物理量与感应物理量间的关系） 3.78 102-1010 SiO2玻璃 9 (6.5) 60 (106) 刚玉 3000 106 BaTiO3 3.0 60 聚氯乙烯 8.7 直流 多晶ZnS 9.7 直流 α-SiC 6.6 直流 金刚石 相对介电常数 频率范围/Hz 材料 一些陶瓷、玻璃和聚合物在室温下的相对介电常数 二、介质的极化机制 3.1 介质的极化 极化的基本形式： 第一种：位移极化----弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。（如电子位移极化、离子位移极化） 第二种：松弛极化----该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。（如电子松弛极化、离子松弛极化） 介质的总极化一般包括四个部分：电子极化、离子极化、偶极子转向极化和空间电荷极化。 在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电矩而使介质极化的现象称为电子位移极化。 1. 电子位移极化 无外电