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第五章 材料的介电性能 （一） 基本概念 介电材料 定义 具有介电常数的物质——电介质 介电常数：在电场的作用下，能建立极化的物质，产生的感应电荷，不会形成漏导电流。（即极化感应电荷被束缚，也称束缚电荷） 对于真空平板电容器，电容 C0 上述两式可以得出： 一、极化现象及其物理量 偶极子的产生（在电场的作用下，正负电荷重心的分离） 电偶极矩的定义： 其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场（它与宏观外电场并不一定相同）。 ? 表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单位为F·m2（法·米2） 二、克劳修斯-莫索蒂方程 宏观电场E E = E外 + E内 原子位置上的局部电场E 三、介质极化 介质的极化（包括三个部分） 电子极化 离子极化 偶极子转向极化 极化形式（两种） 位移极化 是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量 电子位移极化、离子位移极化 松弛极化 这种极化与热运动有关 完成这种极化需要一定的时间 并且是非弹性的，因而消耗一定的能量 电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型 1 . 位移极化 电子位移极化的定义 在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化 电子位移极化的性质 具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中所表现出来的特性 设想一个质量为m，带电为-e的粒子，为一带正电+e的中心所束缚，弹性恢复力为-kx。这里k是弹性回复系数，x表示粒子的位移。我们考虑它在交变电场下运动，电场用复数表示：Eloc＝Eo e i? x 电荷的运动方程 m ?2x/?t2 = -kx － e Eo e i w x 电子的极化率? 静态极化率 电子极化率的大小与原子（离子）半径有关 若考虑同类原子的集合，它们所有轨道是随机取向 电子极化率的量子理论（略） 根据量子力学，极化率的计算是非常复杂的 对于少数简单离子（具有完整电子壳层的原子）已能用量子力学方法计算极化率? 。已计算出氢原子电子极化率为7.52X10-41法·米2 离子位移极化 离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩 与电子位移极化类似，在电场中离子的位移，仍然受到弹性恢复力的限制 离子位移极化和电子位移极化的表达式一样，都具有弹性偶极子的极化性质 离子位移极化建立的时间约为10-12~10-13秒 2. 松弛极化 热松弛极化 极化是电场作用造成，它还与质点的热运动有关 当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点安电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化；这种极化具有统计性质 松弛极化 离子松弛极化（离子松弛极化随频率变化，一般松弛时间长达10-2~10-5秒。） 电子松弛极化（电子松弛极化建立的时间约为10-2~10-9秒） 介电常数随频率的升高而降低 （电子、离子）松弛极化在M(G)Hz的无线电频率下，其松弛极化来不及建立；频率升高，无松弛极化；只存在（电子、离子）位移极化 3. 转向极化 转向极化主要发生在极性分子介质中 具有恒定偶极矩的分子称为极性分子 无外加电场时，这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的，因此就介质整体来看，偶极矩等于零 当极性分子受到外电场作用时，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致 热运动抵抗这种趋势，所以体系最后建立一个新的统计平衡 在这种状态下，沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子的数目多，所以介质整体出现宏观偶极矩。 转向极化一般需要较长时间，约为10-2~10-10秒 4. 空间电荷极化 各种极化形式的比较 介质损耗 一、介质损耗的表示方法 介质损耗的形式 电介质在恒定电场作用下所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 由样品几何电容的充电所造成的电流（简称电容电流，不损耗能量） 由各种介质极化的建立所造成的电流（电流引起的损耗称为极化损耗） 由介质的电导（漏导）造成的电流（电流引起的损耗称为电导损耗） 极化损耗主要与极化的驰豫（松弛）过程有关 电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定状态，一般来说要经过一定时间 建立电子位移极化和离子位移极化，到达其稳态所需时间约为10-16~10-12秒在无线电频率（5×1012Hz以下）范围，仍可认为是极短的，因此这类极化又称为无惯性极化或瞬时位移极化；这类极化几乎不产生能量损耗 偶极子转向极化和空间电荷极化，在电场作用下则要经过相当长的时间（10-10秒或更长）才能达到其稳态，所以这类极化称为有惯性极化或驰豫极化；这种极化损耗能量 如果试样材料是弱导电性的，或是极性的，或兼有此两种特性，那么电容器不再是理想的，电流与电压的相位相差不恰好是90度；这是由于存在一个与电压相