[物理]介电常数.ppt

第二节 介电常数 电子陶瓷除具有绝缘性质外，还能储存电荷。 介电常数就是衡量其储存电荷能力的参数，又叫介电系数或电容率。 一、介质极化和介电常数 设有一个真空中的平行板电极系统，电极面积为s，两极板间的距离为l ，在两极板间加上直流电压U，则极板上将充有电荷Q0。如图。 在上述两平行板电极系统中嵌入一陶瓷介质，而极板的面积s和距离l不变；或在厚度为l的平板形陶瓷介质两面被上面积为s的电极。在电压U不变的情况下，极板上电荷由Q0增加到Q。 电荷增加是由于陶瓷介质在电场作用下发生极化的结果。这一现象叫介质的宏观极化。它是介质微观质点极化的外部表现。极板上电荷增加的过程也就是微观质点极化的过程。 从上图可知，由于介质极化，在介质邻近电极的表面层，出现了束缚在介质上的电荷(束缚电荷)，该电荷与电极上的电荷符号相反，在介质中建立了与原电场E方向相反的电场E’ 。E’有使原电场减小的趋势。为使原电场E保持不变，电源必须供给极板更多的电荷。Q与Q0的比值，我们称为介质的介电常数。可表示为： ?=Q/Q0 介电常数可以表示介质储存电荷的能力，是介质的特征参数。是介质材料的一个重要技术指标。 介电常数的计算公式： ?=（3.6?cl）/s 式中：c—测量出的电容，单位PF l—单位cm s—单位cm2 对于直径为D的圆片试样，介电常数为： ?=（14.4cl）/D2 c—单位PF，l、D—单位cm。 测量电容C时，对装置瓷， Ⅰ型电容器瓷，测量频率为1?0.5MHz，Ⅱ、Ⅲ 型电容器瓷的测量频率为1000? 200Hz。 各种材料室温时的介电常数为： 装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：2?12 Ⅰ型电容器瓷：6 ? 1500； Ⅱ型电容器瓷：200 ? 3万； Ⅲ型电容器瓷：7000 ?几十万； 压电陶瓷：50 ? 20000 干燥空气；1.000585； 真空：1。 由上可知，电子陶瓷的介电常数数值范围很大。介电常数大的材料，可以制造容量大、体积小的电容器；介电常数小的材料，用来制造装置另件。 二、 介电常数温度系数和变化率 电容量随温度变化而变化，是由于介质的介电常数和几何尺寸随温度而变化。对于装置瓷和I型电容器瓷用电容温度系数表示这种变化，对于Ⅱ型和Ⅲ型电容器瓷则采用电容温度变化率表示。 温度t时的电容温度系数?c为： ?c＝（1/c）·（dc/dt） 在一定温度范围内，c与t的关系可视为直线时，则上式写成： ?c＝（1/c1）·（Δc/Δt） 式中：Δc=c2–c1，Δt= t2–t1 c2、c1为温度t2、t1时的电容量。 介电常数随温度的变化用介电常数的温度系数表示。温度t时介电常数的温度系数??。 ??=（1/?）·（d?/dt） 在一定温度范围内，?与t的关系可视为直线时，则上式写成： ??＝（1/?1）·（Δ?/Δt） 式中：Δ?=?2–?1，Δt= t2–t1 ?2、?1为温度t2、t1时的电容量。 介电常数随温度的变化用??表示，几何尺寸的变化用膨胀系数?l表示，电容温度系数?c应是??和?l的函数。即： ?c=??+?l 说明电子陶瓷的电容温度系数取决于介电常数的温度系数和线膨胀系数，由于线膨胀系数较小，一般认为?c≌??。 电容温度系数的测量采用电容温度系数测试仪，常用的有WCC—1，WCC—2型。 三、极化强度 大多数陶瓷介质由各种离子组成，在没有外电场作用时，质点的正负电荷中心重合，对外不呈现电极性。当有外电场作用时，质点受到电场力的作用，正负电荷发生相对位移。正电荷沿着电场方向移动，负电荷反电场方向移动，这种相对位移是有限度的。 因为质点内部正负电荷之间的静电引力作用，限制了电荷离开平衡位置的移动。在一定温度和电场强度条件下，正负电荷偏离原来的平衡位置，位移了一定的距离后，达到新的平衡状态。这时质点的正负电荷的中心不再重合，因而整个介质呈现电极性，这就叫做介质的极化。 如下图被电场极化了的介质表面出现感应电荷，这些电荷不会跑到极板上而被束缚在介质表面，称为表面束缚电荷。 极化的微观本质就是介质内部带电质点产生位移。但由于介质内部质点的束缚力很强，在电场作用下沿一定方向的相对位移是有限度的，是在平衡位置附