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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
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