材料物理性能測(cè)試技術(shù)講課-介電特性.ppt

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1、材料物理性能測(cè)試技術(shù)—材料的介電性能高智勇本章知識(shí)結(jié)構(gòu)電介質(zhì)及其極化極化的相關(guān)物理量壓電性和釋電性鐵電性介電測(cè)量簡(jiǎn)介電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)的定義介電材料和絕緣材料是電子和電氣工程中不可缺少的功能材料，它主要應(yīng)用材料的介電性能，這一類材料總稱為電介質(zhì)。電介質(zhì)通常是指電阻率大于1010??cm的一類在電場(chǎng)中以感應(yīng)而非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的材料。導(dǎo)體、半導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下都會(huì)發(fā)生電荷的自由運(yùn)動(dòng)，而介電材料在有限電場(chǎng)作用下幾乎沒(méi)有自由電荷遷移電介質(zhì)：用于把帶電體隔離、并能長(zhǎng)期經(jīng)受強(qiáng)電場(chǎng)作用的絕緣材料介電材料：放在平板電容器中增加電容的材料電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下能建

2、立極化的物質(zhì)。在真空平板電容器中，嵌入一塊電介質(zhì)。加入外電場(chǎng)時(shí)，在正極附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附件的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷，這些電荷稱為感應(yīng)電荷，又稱束縛電荷。電介質(zhì)及其極化電極化的定義在電介質(zhì)材料中起主要作用的是被束縛著的電荷。在電場(chǎng)的作用下正、負(fù)電荷盡管可以逆向移動(dòng)，但它們不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對(duì)位移，稱為電極化介電系數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個(gè)主要宏觀物理量電容:當(dāng)兩個(gè)臨近導(dǎo)體加上電壓后具有存儲(chǔ)電荷能力的量度電容的單位是法拉，簡(jiǎn)稱法，符號(hào)是F,毫法(mF)、微法(μF)、納法(nF)和皮法(pF)真空電容

3、器的電容主要由二個(gè)導(dǎo)體的幾何尺寸決定q為單位面積電荷；d為平板間距（m）；A為面積（m2）；V為平板上電壓（V）法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種材料插入兩平板之間后，平板電容器的電容增加?，F(xiàn)在已經(jīng)掌握，增大的電容應(yīng)為：?r為相對(duì)介電常數(shù)；?(?0?r)為介電材料的電容率，或稱介電常數(shù)（單位為C2/m2或F/m）放在平板電容器中增加電容的材料稱為介電材料。顯然，它屬于電介質(zhì)。所謂電介質(zhì)就是指在電場(chǎng)作用下能建立極化的物質(zhì)。在真空平板電容器間嵌入一塊電介質(zhì)，當(dāng)加上外電場(chǎng)時(shí)，則在正極板附近的介質(zhì)表面上感應(yīng)出負(fù)電荷，負(fù)極板附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出正電荷。這種感應(yīng)出的表面電荷稱為感應(yīng)

4、電荷，亦稱束縛電荷電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。正是這種極化的結(jié)果，使電容器增加電荷的存儲(chǔ)能力。平板電容器中的電容（a）真空平板電容器；（b）平板電容器中的介電材料極化的相關(guān)物理量根據(jù)分子的電結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)可分為兩大類：極性分子電介質(zhì)，例如H2O、CO等；非極性分子電介質(zhì)，例如CH4、He等結(jié)構(gòu)的主要差別是分子的正、負(fù)電荷統(tǒng)計(jì)重心是否重合，即是否有電耦極子。電偶極子：具有一個(gè)正極和一個(gè)負(fù)極的分子或結(jié)構(gòu)q為所含電量；L為正負(fù)電荷重心距離極性分子電介質(zhì)，由于分子的正負(fù)電荷中心不重合，存在電偶極矩；對(duì)于非極性分子電解質(zhì)，由于外界作用，正負(fù)

5、電荷中心瞬時(shí)分離，也產(chǎn)生電偶極距。電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，無(wú)極性分子的正、負(fù)電荷重心將發(fā)生分離，產(chǎn)生電耦極矩極化電荷：是指和外電場(chǎng)強(qiáng)度相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)的正、負(fù)電荷，這些電荷不能自由移動(dòng)，也不能離開(kāi)，總值保持中性描述電介質(zhì)這種性質(zhì)的參數(shù)極化強(qiáng)度介電常數(shù)電介質(zhì)極化的機(jī)制電子極化，離子極化，電偶極子取向，空間電荷極化，分別對(duì)應(yīng)電子、原子、分子和空間電荷情況。位移極化，由電子或離子位移產(chǎn)生電偶極距而產(chǎn)生的極化。分為電子位移極化和離子位移極化。這種極化可以在光頻下進(jìn)行，10-14-10-10S可逆與溫度無(wú)關(guān)產(chǎn)生于所有材料中電子極化率的大小與原子(離子)的半

6、徑有關(guān)電介質(zhì)的極化電子位移極化：在外電場(chǎng)作用下每個(gè)原子中價(jià)電子云相對(duì)于原子核位移極化可以在光頻下進(jìn)行，10-14-10-10S可逆與溫度無(wú)關(guān)產(chǎn)生于所有材料中電子極化率的大小與原子(離子)的半徑有關(guān)E-+d+--------電子軌道位移：原子中的所有電子都發(fā)生、但價(jià)電子顯著、內(nèi)層電子不顯著原子或離子半徑電子軌道位移原子正、負(fù)電中心不再重合電介質(zhì)的極化原子（離子）位移極化：外電場(chǎng)引起的原子核之間的相對(duì)位移，相當(dāng)于一感生偶極矩極化晶體中負(fù)離子和正離子相對(duì)于它們的正常位置發(fā)生位移，形成一個(gè)感生偶極矩也可以看做離子間的鍵合在電場(chǎng)作用下被拉長(zhǎng)++--+-+-++--

7、E離子位移極化率：式中：a為晶格常數(shù)；n為電子層斥力指數(shù)對(duì)于離子晶體n為7-11可逆;反應(yīng)時(shí)間為10-13-10-12S溫度升高，極化增強(qiáng)產(chǎn)生于離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中結(jié)合鍵被拉長(zhǎng)電介質(zhì)的極化取向極化：偶極子沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)排列沿外場(chǎng)方向的偶極子數(shù)大于和外場(chǎng)反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩。這種極化與永久偶極子的排列取向有關(guān)，又稱分子極化（或偶極子極化）＋——＋——＋——＋——＋——＋——＋——＋——E熱運(yùn)動(dòng)：無(wú)序電場(chǎng)：有序+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-無(wú)電場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)時(shí)有極分子的取向雜亂無(wú)章，宏觀上電介質(zhì)對(duì)外不顯電性+-+-+-+-+-

8、+-+-+-+-+-+-+-E0有電場(chǎng)有外電場(chǎng)時(shí)在外電場(chǎng)力矩作用下，偶極子（有極