第五章 材料的介電性能ppt課件.ppt

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1、第五章材料的介電性能電介質(zhì)是在電場作用下具有極化能力并在其中長期存在電場的一種物質(zhì)。電介質(zhì)對電場的響應特性不同于金屬導體。金屬的特點是電子的共有化,體內(nèi)有自由載流子,這樣就決定了金屬具有良好的導電性,它們以傳導的方式來傳遞電的作用和影響。然而,在電介質(zhì)體內(nèi),一般情況下,只具有被束縛的電荷,在電場的作用下將不能以傳導的方式而只是以感應的方式,即以其中正、負電荷受電場驅(qū)使形成正、負電荷中心不相重合的電極化方式來傳遞和記錄電的影響。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,在工程應用中,常在需要將電路中具有不

2、同電位的導體彼此隔開的地方使用,就是利用介質(zhì)的絕緣特性,也就是應用材料的介電性能。這一類材料總稱為電介質(zhì)。比較常見的介電材料是電容器介質(zhì)材料、壓電材料等。絕緣材料和介電材料都是高電阻率材料,但兩者是有區(qū)別的,好的介電材料一定是好的絕緣材料,但好的絕緣材料就不一定是好的介電材料了。電介質(zhì)的分類(1)按物質(zhì)組成特性:無機電介質(zhì)(如云母、玻璃、陶瓷等)有機電介質(zhì)(如礦物油、紙、有機高分子聚合物等)(2)按物質(zhì)的聚集態(tài):氣體介質(zhì)(空氣)液體介質(zhì)(電容器油)固體介質(zhì)(滌綸薄膜)(3)按物質(zhì)原子排列的有序化:晶體電介質(zhì)(石英晶體

3、)-長程有序非晶態(tài)電介質(zhì)(玻璃塑料)-短程有序(4)工程應用:極性電介質(zhì)(纖維素、聚氯乙烯薄膜)中性電介質(zhì)(變壓器油、聚四氟乙烯薄膜)(5)按均勻度:均勻電介質(zhì)(聚苯乙烯)非均勻電介質(zhì)(電容器紙-聚苯乙烯薄膜復合介質(zhì))分類研究電介質(zhì),有利于將電介質(zhì)性能的研究,統(tǒng)一在某一種物質(zhì)共同屬性的基礎之上,以便總結(jié)出宏觀介電性能與微觀材料結(jié)構、組成之間相互關聯(lián)的規(guī)律。電介質(zhì)物理主要研究:電介質(zhì)的極化、電導、損耗、擊穿特性。(1)介電常數(shù)(電極化)—指以電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用。(2)電導—指電介質(zhì)在電場作用下存在泄漏電

4、流。(3)介電損耗—指電介質(zhì)在電場作用下存在電能的損耗。(4)擊穿—指在強電場下可能導致電介質(zhì)的破壞。四個基本特性各有其基本理論。電介質(zhì)理論包括:(1)電極化響應理論(2)電介質(zhì)中電荷轉(zhuǎn)移、電導和電擊穿理論(3)唯象理論:(用電介質(zhì)的特征函數(shù)描述)從物理學的角度論述與介電有關的各種效應,建立統(tǒng)一的唯象理論—熱力學唯象理論(建立各種宏觀物理量之間的關系)(4)微觀理論:主要介紹晶格振動和聲子統(tǒng)計方面的知識。(5)鐵電理論:在下一章中講。電極化響應理論包括:(a)恒定電場中電介質(zhì)的電極化,電極化的微觀機制;(b)洛倫茲的

5、有效場;(c)變動電場中電介質(zhì)的行為(即介電損耗);(d)介電馳豫;(e)諧振吸收和色散;(f)電極化的非線性效應等。電介質(zhì)的極化有3種主要基本過程:(極化的機制)(1)材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生電子極化(電子位移極化);(2)分子中正、負離子相對位移造成離子極化(離子位移極化);(3)分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導致的轉(zhuǎn)向極化。1、電子位移極化在外電場作用下,原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移,原子中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移。這種極化稱為電子位移極化。在沒有外電場作用的時候,組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正

6、負電荷中心重合,即電矩等于零,對外呈中性。在電場作用下,正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程),中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子,從而產(chǎn)生了電子位移極化或電子形變極化,如圖5.1所示。圖5.1電子云位移極化示意圖(a)E=0(b)E≠0電子位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中,具有如下特點:(1)形成極化所需時間極短(因電子質(zhì)量極?。?,約10-15s,故其不隨頻率變化;(2)具有彈性,撤去外場正負電荷中心重合,沒有能量損耗;(3)溫度對其影響不大,溫度升高,略為下降,具有不大的負溫度

7、系數(shù)。2、離子位移極化在離子晶體和玻璃等無機電介質(zhì)中,正、負離子處于平衡狀態(tài),其偶極矩的矢量和為零。但這些離子,在電場作用下,除了離子內(nèi)部產(chǎn)生電子位移極化外,離子本身將發(fā)生可逆的彈性位移。正離子沿電場方向移動負離子沿反電場方向移動,正、負離子發(fā)生相對位移,形成感應偶極矩。這就是離子位移的極化。也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長,例如堿鹵化物晶體就是如此。圖5.2所示是位移極化的簡化模型。圖5.2離子極化示意圖離子位移極化主要存在于具有離子晶體中,如云母、陶瓷材料等,它具有如下特點:(1)形成極化所需的

8、時間極短,約10-13s,故一般可以認為與頻率無關;(2)屬彈性極化,幾乎沒有能量損耗;(3)溫度升高時離子間的結(jié)合力降低,使極化程度增加,但離子的密度隨溫度升高而減小,使極化程度降低,通常前一種因素影響較大,故一般具有正的溫度系數(shù)。即溫度升高,極化程度有增強的趨勢。3、固有電矩的轉(zhuǎn)向極化電介質(zhì)中的電偶極子的產(chǎn)生有兩種機制:一是產(chǎn)生于“感應電矩

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