[理学]电介质物理学.doc

电 介 质 物 理 学 绪 论 电介质(dielectric)是在电场作用下具有极化能力并能在其中长期存在电场的一种物质。电介质具有极化能力和其中能够长期存在电场这种性质是电介质的基本属性．也是电介质多种实际应用(如储存静电能)的基础。静电场中电介质内部能够存在电场这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明，电介质的这一特性有别于金属导体材料，因为在静电平衡态导体内部的电场是等于零的。 如果运用现代固体物理的能带理论来定义电介质，则可将电介质定义为这样一种物质：它的能级图中基态被占满．基态与第一激发态之间被比较宽的禁带隔开，以致电子从正常态激发到相对于导带所必须的能量，大到可使电介质变到破坏。电介质的能带结构可以用图一示意，为了便于将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，图中分别画出了它们的能带结构示意图． 电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，从而决定了金属具有良好的导电件，它们以传导方式来传递电的作用和影响。然而，在电介质体内，一股情况下只具有被束缚着的电荷。在电场的作用下，将不能以传导方式而只能以感应的方式，即以正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。尽管对不同种类的电介质，电极化的机制各不相同，然而，以电极化方式响应电场的作用，却是共同的。正因为如此 研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出相应的规律，是电介质物理的一个重要课题。 由上所述，电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能。在工程应用上，常在需要将电路中具有不同电势的导体彼此隔开的地方使用电介质材料，就是利用介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料(Insulating material)或绝缘体(insulator)。 与理想电介质不同，工程上实际电介质在电场作用下存在泄漏电流相电能的耗散以及在强电场下还可能导致电介质的破坏。因此，如果将电介质物理看成是一种技术物理，那么除要研究极化外，还要研究有关电介质的电导、损耗以及击穿特性，这些就是电介质物理需要研究的主要问题。 电介质种类繁多，组成物质结构亦千差万别，我们可以从不同角度对电介质进行分类。 按物质组成特性．可将电介质分为无机电介质(如云母、玻璃、陶瓷等)和有机电介质(如矿物油、纸以及其它有机高分子聚合物等)两大类； 按照物质的聚集态，则可将电介质分为气体介质(如空气)、液体介质(如电容器油)以及固体介质(如涤纶薄膜)三大类； 若按组成物质原子排列的有序化程度分类，便可将电介质分成晶体电介质(如石英晶体)和非晶态电介质(如玻璃、塑科)，前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。 在工程应用上，还常常按照组成电介质的分子电荷在空间分布的情况进行分类。按此分类方法，一般将电介质分为极性电介质和非极性(中性)电介质。当无外电场作用时，介质由正、负电荷中心相重合的中性分子组成，这样的介质即为非极性(中性)介质，如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等；若由正、负电荷中心不相重合的极性分于组成，这样的介质即为极性介质，如电容器纸的主要放分——纤维素以及聚氯乙烯薄膜等。其中聚四氟乙烯和纤维素的分子结构具有一定的代表性。 聚四氟乙烯的分子结构： 最后，如按照介质组成成分的均匀度进行分类，又可将电介质分为均匀介质(如聚苯乙烯)和非均匀介质(如电容器纸—聚苯乙烯薄膜复合介质)。 尽管可能还有别的分类方法，如将介质分成块状介质和膜状介质等，但常用的分类方法即如上述列举的那几种。 分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一在某种物质共同属性的基础之上，以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、组成之间相互关联的规律。 电介质物理是以电介质为研究对象的一门学科，它从物理学中分离出来并成为一个独立分支是最近几十年的事，其研究内容主要是揭示电介质基本特性(电极化、电导、介质损耗以及电介质击穿)的物理本质；探讨电介质在电场作用下所发生的物理过程与电介质的结构、组成之间关系的规律性，这种规律性给生产、研究人员提供制造、选用、研究以及开发电介质的科学依据。 电介质物理所涉及的内容，除上述外，还应包括对电介质其它特性的研究，如压电性、光弹特性等，但本书的重点将选择前述那些基础性内容，而对压电性、光弹性方面的内容仅作—般介绍，不作深入讨论，这一点，只要我们注意到下面的事，即：后者实际上已逐渐形成专门的学科分支，例如“压电学”， 那么相信读者是能够自然地接受本书对诸有关内容的安排与处理的。 电介质物理是从事电子元器件生产、试制、研究领域内科技工作人员的必备基础理论，同时也为电子学其它领域以及航天、航空、电力、能源工程领城内从事科技工