材料的介电性能课件.pptxVIP

材料的介電性能;引言;以絕緣體的四大參數為主要內容也逐步演變為以研究物質內部電極化過程。

固態電介質分佈很廣，而且往往具有許多可供利用的性質。例如電致伸縮、壓電性、熱釋電性、鐵電性等，從而引起了廣泛的研究。實際上，這些性質是與晶體的內在結構、其中的束縛原子(或離子)以及束縛電子的運動等都有密切的關係。現在，固態電介質物理與固體物理、晶體光學有著許多交迭的領域。特別是在鐳射出現以後，研究晶態電介質與鐳射的相互作用又構成為固態鐳射光譜學、固態非線性光學。;1.以電荷長程遷移即傳導的方式（可以是電子傳導、空穴傳導和離子傳導）對外電場作出回應，這類材料即導電材料；。;電介質及其極化;電介質及其極化;介電常數

1）材料因素：ε材料在電場中被極化的能力

2）尺寸因素：d和A：平板間的距離和麵積

如果介電介質為真空：

在平行板電容器間放置某些材料，會使電容器存儲電荷的能力增加，CC0

真空介電常數：ε0=8.85×10-12F.m-1(法拉/米)

相對介電常數：εr

介電常數（電容率）：?=?0?r(F/m)

介電常數是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲電荷能力的物理量。

; ;電偶極子與電偶極矩;平板電容器中的電介質，在外電場作用下，在正極板附近的介質表面感應出負電荷，負極板附近的介質表面感應出正電荷。這些感應電荷稱為束縛電荷。

極化——在電場作用下產生束縛電荷的現象稱為電介質的極化。

常用的電介質有，陶瓷、玻璃和聚合物等。工作電場的頻率對一些電介質的介電常數有影響，特別是陶瓷類電介質。

極化相關物理量

電偶極矩：

極化電荷：

電極化強度P——電介質極化程度的量度；;;電介質極化機制

電介質在外加電場作用下產生宏觀的電極化強度，實際上是電介質微觀上各種極化機制貢獻的結果。包括電子的極化、離子的極化、電偶極子取向極化和空間電荷極化等。電子極化和離子極化又都可分為位移極化和弛豫極化。

位移極化

電子位移極化——外電場作用下，原子週邊的電子軌道相對於原子核發生位移而引起的極化。

由於電子很輕，對電??的反應很快，可以光頻跟隨外場變化。

採用玻爾原子模型來分析電子位移極化率。模型假設一點電荷(-q)沿繞核電荷(+q)的一個圓周軌道運行。在電場作用下，電子軌道反電場方向移動一段小距離d，因此形成一感應偶圾矩：;當電場力與恢復力平衡時，

所以，; ; ;離子位移極化

在離子晶體中，除存在電子位移極化以外，在電場作用下，還會發生正、負離子沿相反方向位移形成離子位移極化。

;根據經典彈性振動理論可以估計出離子位移極化率為：

;弛豫極化

弛豫極化釋由外加電場造成的，但與帶電質點的熱運動狀態密切相關。

材料中存在弱聯繫的電子、離子和偶極子等弛豫質點時，外加電場使其有序化分佈，而熱運動使其混亂分佈，最後達到平衡極化狀態。弛豫極化建立平衡極化時間約為10-2~10-3s，並且要克服一定的位壘，因此，弛豫極化是一種非可逆過程。

電子弛豫極化

晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質引入、化學成分局部改變等因素，使電子能態發生改變，出現位於禁帶中的局部能級形成所謂的弱束縛電子。

具有電子弛豫極化的介質往往具有電子導電特性。極化是一種不可逆過程，建立時間約為10-2~10-3s，電場頻率高於109Hz時，這種???化就不存在。;離子弛豫極化

在玻璃態物質、結構鬆散的離子晶體或晶體中的雜質或缺陷區域，離子自身能量較高，易於活化遷移，這些離子為弱聯繫離子。

弱聯繫離子弛豫極化時，其遷移的距離可達晶格常數數量級。

根據弱聯繫離子在有效電場作用下的運動，以及對弱離子運動位壘計算，可得到離子弛豫極化率的大小：;;取向極化;;;極化形式;;宏觀極化強度與微觀極化率的關係;克勞修斯-莫索蒂方程;2.原子位置上的局部電場Eloc（有效電場）

Eloc=E0+Ed+E2+E3;球外介質的作用電場：設想把假想的球挖空，使球外的介質作用歸結為空球表面極化電荷作用場（洛倫茲場）E2和整個介質外邊界表面極化電荷作用場Ed之和。;根據庫侖定律：dS面上的電荷作用在球心單位正電荷上的P方向分力dF：

dF=－（－Pcos?dS/4??or2)cos?

由qE=F1×E=FE=F

dE=Pcos2?dS/4??or2=(2?rsin?rd?)(Pcos2?/4??or2)

=Pcos2?sin?/2?or2d?

整個空心球面上的電荷在O點產生的電場為：