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第三章-材料的介电性能1

第3章 材料的介电性能 介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中不可缺的功能材料。 3.1 电介质及其极化 3.1.1 平板电容器及其电介质 电容 :两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量 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) 3.1 电介质及其极化 3.1.2 介电常数 1)材料因素:ε 材料在电场中被极化的能力 2)尺寸因素: d 和A :平板间的距离和面积 如果介电介质为真空: 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。 3)电介质的极化: 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或束缚电荷。 极化:电介质在电场作用产生束缚电荷的现象。 例:一个简单的平行板电容器,3kV时存10-4C的电荷,电介质厚0.02cm, 计算使用面积。(分真空,BaTiO3,云母三种情况,介电常数分别为1、3000和7) 3.1.3 极化相关的物理量 1)电偶极矩:带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点,形成电偶极矩 对于极性分子电介质,由于分子的正负电荷中心不重合,存在电偶极矩;对于非极性分子电解质,由于外界作用,正负电荷中心瞬时分离,也产生电偶极距。 可以证明: 所以有: 令电位移D为: 代入得: 在各向同性的电介质中,电位移等于场强的ε 倍。 2)离子位移极化: 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。 可逆; 反应时间为10-13-10-12S 温度升高,极化增强 产生于离子结构电介质中 离子位移极化率: 式中:a为晶格常数;n为电子层斥力指数, 对于离子晶体n为7-11 驰豫极化:外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成,与带电质点的热运动密切相关。热运动使这些质点分布混乱,而电场使它们有序分布,平衡时建立了极化状态。为非可逆过程。 3)电子驰豫极化 :由于晶格的热运动,晶格缺陷,杂质引入,化学成分局部改变等因素,使电子能态发生改变,导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子,在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。 不可逆;反应时间为 10-2-10-9S;产生于Nb,bi,Ti为基的氧化物陶瓷中,随温度升高变化有极大值。 4)离子驰豫极化 : 弱联系离子:在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域,离子自身能量较高,易于活化迁移,这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化。 不可逆;反应时间为 10-2-10-5S;随温度变化有极大值。 5) 取向极化: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)。 热运动:无序 电 场:有序 为无外电场时的均方偶极矩。 (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 实际中需要一种驻电体。试从(C2H4)n, (C2H2F2)n, (C2F4)n中选用。 3.1 电介质及其极化 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,

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