电介质材料基础知识.ppt

3-1电介质物理基础知识 1-1电介质及其极化 3-1-2电介质的介质损耗 3-1-3电介质的电导和击穿 3-14电介质材料的非电性能 ★电介质材料的四个基本参数 介电常数(g)、损耗角正切(tan6)、电导率()、抗电强度(E)  311电介质及其极化」 1.电介质的定义 室温下金属导体、半导体、电介质的电阻率分别为: 108-106(g·m)导体 p〈105-105(g2m)半导体 108-1018(g·m)电介质 1)电介质是绝缘体,无自由电荷,只存在束缚电荷。 2)在较弱电场下具有极化能力,并以电极化的方式传递、存储和记录电的作用与影响; 3)电介质可作绝缘材料,还可用于制作电容器、压电器件及介质天线等电子元器件  4)极性分子电介质和非极性分子电介质 极性分子:分子的正负电荷重心不重合。 极性分子具有固有偶极矩,电偶极矩:=ql 电偶极子 H2O分子 例如,HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 非极性分子:分子的正负电荷重心重合。 非极性分子的偶极矩为零。 例如,CO2、H2、N2、CH4He  2.电介质的极化 ●在电介质中,原子、分子或离子的正负电荷以共价键或离子键的形式被强烈 的相互束缚着,这些束缚电荷在外电场的作用下分布发生变化,在电介质内 形成感应宏观偶极矩的过程,称为电介质的极化。 感应宏观偶极矩的形成: 非极性介质一在电场作用下,正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移 正负电荷相对位移的方向相反,在相距一定距离之后,产生感应偶极矩;电介质 整体来看,就形成了感应宏观偶极矩。 极性介质一组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合,其本身就具有 固有偶极矩;在没有外电场时,热运动使固有偶极矩混乱取向,偶极矩的矢量和 为零;有外电场时,偶极子沿电场方向取向几率增加,偶极矩的矢量和不再为零 电介质对外表现出感应宏观偶极矩。  由于介质的极化,在介质表面出现符号相反的感应电荷,在介质内形 成与外电场方向相反的退极化场; 介质的极化能力越强,退极化场越强 Eo E E E0:外电场E’:退极化场 极化使电介质表面出现感应束缚电荷介质中的总场强:E=E0+E  21介电常数() 取DE比值来反映介质的极化能力 E E:电介质的介电常数; D:介质中的电位移,仅与自由电荷的密度有关 E:介质中的总电场强度,与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关 介电常数是描述介质极化能力的一个重要物理参数!  Q=Q 2王引 Q Qo+Q C=5·S Eo:真空介电常数 E S d C EnEn:相对介电常数 Q E=808 Qo+Q 介电常数反映了介质极化能力的大小,介质的介电常数值越大,极化能力越强 电容器介质的介电常数越大,电容器存储电荷的能力越强  常用电介质材料的相对介电常数 真空 空气 乙醇 水 石英 玻璃石蜡 1000001.00059 26,4 80.1 4.27~4.34 3.80 2.0~2.5 氧化铝 岩盐钛酸钙金红石(TO2) NaCl 钛酸钡 晶体:1128-13.27 晶体:86-170晶体:160-4500 6.12130~150 陶瓷:9.5~11.2 陶瓷:80-110 陶瓷:1700 聚乙烯|聚四氟乙烯聚氯乙烯环氧树脂天然橡胶|酚醛树脂 2.2 2.11 4.55 3.6~4.1 2.6-29 5.1~8.6  22介质极化强度和极化率 为了描述电介质在外场中的极化情况,引入极化强度矢量P,它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和 单位为:C/m2 若介质中的电场是均匀的,则有 p=22 若单位体积中有n个极化粒子,各极化粒子偶极矩的平均值为,则有 对于线性极化,H与电场强度成正比,有: E4:作用在极化粒子(原子、分子或离子)上的局域电场,称为有效电场; a:极化粒子的极化率,是表征微观粒子极化性质的微观参数  23电介质极化的宏观参数和微观参数的关系 平板型电容器的极片面积为S,极片间距为d,均匀 极化时,整个电介质总的感应偶极矩∑H=Qd E工工江工xxx〓 极化强度 Qd Q Sd s S (n-1)Q(-1UC (;-1JEo8 Q。+Q1Q =(E. -1EE P=n,aE 6n=1+e E S 提高电介质的介电常数: 提高单位体积内的极化粒子数n; 选取极化率a大的粒子组成电介质; 增强作用于极化粒子上的有效电场E