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1、材料的介電性能DielectricPropertiesofMaterials杜宇雷材料科學(xué)與工程學(xué)院1.以電荷長(zhǎng)程遷移即傳導(dǎo)的方式(可以是電子傳導(dǎo)、空穴傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo))對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng),這類材料即導(dǎo)電材料;。材料對(duì)外電場(chǎng)作用的響應(yīng)2.以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng),即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變,這類材料稱為電介質(zhì);這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。。極化電偶極子與電偶極矩電偶極子(electricdipole)——兩個(gè)相距很近的等量異號(hào)點(diǎn)電荷+q與-q所組成的帶電系統(tǒng)。電偶極矩(electricdipole
2、moment)——電偶極子中的一個(gè)電荷的電量與軸線的乘積,簡(jiǎn)稱電矩。LqP→→=電偶極矩的方向:負(fù)電荷指向正電荷。絕緣體≠電介質(zhì)將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體、以及超導(dǎo)體時(shí),其依據(jù)是物質(zhì)的電荷傳導(dǎo)特性或者說(shuō)電荷長(zhǎng)程遷移特性。電荷的傳導(dǎo)(電荷的長(zhǎng)程遷移),作為物質(zhì)對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng),其宏觀表現(xiàn)即為電流。根據(jù)歐姆定律:J=σE,其中J為電流密度,E電場(chǎng)強(qiáng)度,而σ為電導(dǎo)率張量(二階對(duì)稱張量)。電導(dǎo)率反映了物質(zhì)的電荷傳輸特性或曰電荷長(zhǎng)程遷移特性。物質(zhì)對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)除去電荷的傳導(dǎo)外,還有電荷短程運(yùn)動(dòng)與位移。這種電荷的短程
3、運(yùn)動(dòng)與位移稱為極化(Polarization),其結(jié)果是促使正負(fù)電荷中心偏移、從而產(chǎn)生電偶極矩。而以極化方式傳遞、儲(chǔ)存或記錄外電場(chǎng)作用和影響的物質(zhì)就是電介質(zhì)。顯然,電介質(zhì)中起主要作用的乃是束縛電荷而非自由電荷。極化可以來(lái)自極性晶體或分子的自發(fā)極化、也可以來(lái)自電場(chǎng)的誘導(dǎo)作用。介電響應(yīng)可用如下方程描述:D=εε0E或P=χε0E,其中,D為電位移、P為極化強(qiáng)度、ε0為真空電容率、ε為相對(duì)介電常數(shù)、χ為宏觀極化率,ε與χ均為二階對(duì)稱張量。由于ε=1+χ,用相對(duì)介電常數(shù)與宏觀極化率描述介電性質(zhì)是等價(jià)的。介電常數(shù)的物理
4、意義可以理解為電介質(zhì)在極化過(guò)程中儲(chǔ)存電荷能力之度量。傳導(dǎo)與極化是物質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的兩種主要響應(yīng)方式,它們雖有主次、但往往同時(shí)存在。當(dāng)我們主要關(guān)注其傳導(dǎo)特性時(shí),將物質(zhì)分類為絕緣體、半導(dǎo)體與導(dǎo)體;而當(dāng)我們重點(diǎn)關(guān)注其極化特性時(shí),則將物質(zhì)分類為順電體、鐵電體、反鐵電體、壓電體、熱釋電體等電介質(zhì)。電介質(zhì)與絕緣體是相互密切聯(lián)系、然而并不能等同的兩個(gè)概念。絕緣體肯定是電介質(zhì),但電介質(zhì)卻不僅僅包括絕緣體。雖然大部分實(shí)用電介質(zhì)材料為絕緣體,然而半導(dǎo)體甚至金屬都有電介質(zhì)的特性、只是其對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)中傳導(dǎo)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了極化效應(yīng)而已。真空
5、-++++---E-++++----++--++-+-+-+-+-+-+-+-+-自由電荷+-偶極子束縛電荷1.具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象及其物理量在外電場(chǎng)中,電介質(zhì)表面出現(xiàn)的束縛電荷叫做極化電荷。電極化:在外電場(chǎng)作用下,介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)正負(fù)電荷重心的分離,使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過(guò)程?;蛟谕怆妶?chǎng)作用下,正、負(fù)電荷盡管可以逆向移動(dòng),但它們并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)位移并使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過(guò)程。偶極子:構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng),形成
6、一個(gè)偶極子。2.物理量-++++----++--++-+-+-+-+-+-+-+-+-單位板面上束縛電荷的數(shù)值(極化電荷密度)可以用單位體積材料中總的偶極矩即極化強(qiáng)度P來(lái)表示。設(shè)N是體積V內(nèi)偶極矩的數(shù)目,電偶極矩相等于兩個(gè)異號(hào)電荷?Q乘以間距d,則:P=N?/V=Qd/V=Q/A-++--+P-Q+Q3介質(zhì)的極化強(qiáng)度與宏觀可測(cè)量之間的關(guān)系兩塊金屬板間為真空時(shí),板上的電荷與所施加的電壓成正比:Qo=CoV兩板間放入絕緣材料,施加電壓不變電荷增加了Q1,有:Qo+Q1=CV相對(duì)介電常數(shù)?r:介電質(zhì)引起電容量增加的
7、比例。?r=C/Co=(Qo+Q1)/Qo電介質(zhì)提高電容量的原因:由于質(zhì)點(diǎn)的極化作用,結(jié)果在材料表面感應(yīng)了異性電荷,它們束縛住板上一部分電荷,在同一電壓下,增加了電容量。結(jié)果:材料越易極化,材料表面感應(yīng)異性電荷越多,束縛電荷也越多,電容量越大,相應(yīng)電容器的尺寸可減小。極板上自由電荷密度:Qo/A=CoV/A=(?oA/d)V/A=?oE(E----兩極板間自由電荷形成的電場(chǎng),也即宏觀電場(chǎng))介電材料存在時(shí)極板上電荷密度D:等于自由電荷密度與束縛電荷密度之和:由:?r=(Qo+Q1)/Qo得:?rQo/A=(Qo
8、+Q1)/A有:?r?oE=(Qo+Q1)/A=DD=?oE+P=?o?rE=?1E(?l---絕對(duì)介電常數(shù))P=(?1-?o)E=?o(?r-1)E電介質(zhì)的電極化率?e:束縛電荷和自由電荷的比例:?e=P/?oE=(?r-1)得:P=?o?eE(作用物理量與感應(yīng)物理量間的關(guān)系)極化狀態(tài)的描述--電極化強(qiáng)度矢量在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí),電介質(zhì)未被極化,內(nèi)部宏觀小體積元中各分子的電偶極矩的矢量和為零;當(dāng)有外電場(chǎng)