第八讲 非晶态物理.ppt

第五章 材料的介电性能 电介质基本概念 电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的 物质，称电介质。电介质的特征是以正负电荷重 心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作 用和影响。 电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷 在电场（包括电频电场和光频电场）作用下的电 极化过程；阐明其电极化规律与介质结构的关 系；揭示其宏观介电性质的微观机制，进而发展 电介质的效用。 〈经典电介质科学丛书〉首批著作出版志贺 介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体，兼秉丰富深刻之物理内涵，前程无限。叹我介电学科，相对滞后，极化之类基本问题，仍未彻底解开。更有心态浮燥，不重基础，回避难题，急功近利。诸多不足之处，吾人当自省。 —姚熹院士 姚熹乃学界之领军人物，主编《经典电介 质科学丛书》，实为胆识超群之善行义举， 功德无量。切望学者诸君，乘机奋起。须知 经典传世之作，乃学科之根本。从此精读经 典，锤炼功底，不求捷径，迎难而行。学科 大发展，势在必然中。 ——钟维烈 2008年4月 电极化强度矢量 介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m) 　　定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)。 　　某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr ，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数， 自发极化 晶体中每一个晶胞都存在固有的偶极矩，极化不需要电场，且极化方向可随外电场方向不同而反转——铁电体 影响介电常数的因素： 介电类型 温度系数 介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大 介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的关系 介电损耗 损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括： ① 由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量； ② 由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗； 由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗。 介电损耗—电导（或漏导）损耗 缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。 实质相当于交流、直流电流流过电阻做功，一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗。 介电损耗—极化损耗 由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。 结论： ① 当外电场频率很低，即ω→0时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成损耗； ② 当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使ω随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当ω→∞时，损耗达到最大； ③ 当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无贡献，介电常数仅由位移极化决定， ω→0时， tanδ→∞，此时无极化损耗。 （说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据 σ=ωεtanδ） 介电损耗—共振吸收损耗 对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率，则发生共振吸收。 介电损耗的表示方法 材料的介电损耗 结构不均匀的多相—固体无机材料，这些材料损耗的主要形式是电导损耗和松弛极化损耗，但还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗。 材料的介电损耗 1）电离损耗 又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。 当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态绝缘物的低，而且电容率也比固态小，必须尽量减小介质中的气孔。 材料的介电损耗 2）结构损耗 在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。 一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在高频、低温下主要为结构损耗。 固体电介质的电导与击穿 固体电介质的电导 理想的电介质，在外电场作用下应该是没有传导电流的。 实际的电介质，或多或少地具有一定数量的弱联系的带电质点。无外电场，热运动。有外电场，定向漂移。正电荷顺电场方向移动，负电荷逆电场