無機(jī)材料的介電性能ppt課件.ppt

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1、無機(jī)材料與有機(jī)塑料比較:有機(jī)塑料:便宜、易制成更精確的尺寸;無機(jī)材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時(shí)在應(yīng)力作用下,無蠕變或形變;有較大的抵抗環(huán)境變化能力(特別是在高溫下,塑料常會(huì)氧化、氣化或分解);能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。真空-++++---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6.2.1極化現(xiàn)象及其物理量6.2介質(zhì)的極化電極化: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

2、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),形成一個(gè)偶極子。2.物理量電偶極矩?:?=ql(單位:庫(kù)侖·米)電偶極矩的方向:負(fù)電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場(chǎng)的方向一致。質(zhì)點(diǎn)的極化率?:?=?/Eloc,表征材料的極化能力。局部電場(chǎng)Eloc:作用在微觀質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)。介質(zhì)的極化強(qiáng)度P:P=??/V單位介質(zhì)體積內(nèi)的電偶極矩總和?;蚴`電荷的面密度?!?q+qlE偶極子-++++----++--++-+-+-+-+-+-+-+-+-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

3、中總的偶極矩即極化強(qiáng)度P來表示。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,抵消(中和)了這部分電荷的作用,在同一電壓下,增加了電容量。結(jié)果:材料越易極化,材

4、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+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

5、的關(guān)系)6.2.2克勞修斯-莫索蒂方程外加電場(chǎng)E外E1外加電場(chǎng)E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。即極板上的所有電荷所產(chǎn)生)構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和E1(退極化電場(chǎng),即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生)E宏=E外+E11.宏觀電場(chǎng):-++++----++--+-++++---2.原子位置上的局部電場(chǎng)Eloc(有效電場(chǎng))Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++-------+++---E外E1E2E3對(duì)于氣體質(zhì)點(diǎn),其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用可以忽略,局部電場(chǎng)與外電場(chǎng)相同。對(duì)于固體介質(zhì),周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場(chǎng)周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)

6、點(diǎn)上的電場(chǎng)貢獻(xiàn)。球外介質(zhì)的作用電場(chǎng):設(shè)想把假想的球挖空,使球外的介質(zhì)作用歸結(jié)為空球表面極化電荷作用場(chǎng)(洛倫茲場(chǎng))E2和整個(gè)介質(zhì)外邊界表面極化電荷作用場(chǎng)E1之和。對(duì)于平板其值為束縛電荷在無介質(zhì)存在時(shí)形成的電場(chǎng):由P=Q1/A=?oE1得:E1=P/?oE1的計(jì)算:假想:有一個(gè)特定質(zhì)點(diǎn)被一個(gè)足夠大的球體所包圍,球外的電介質(zhì)可看成連續(xù)的介質(zhì),同時(shí),球半徑比整個(gè)介質(zhì)小得多。介質(zhì)中的其它偶極子對(duì)特定質(zhì)點(diǎn)的電場(chǎng)貢獻(xiàn)分為兩部分:球外介質(zhì)的作用E1+E2和球內(nèi)介質(zhì)的作用E3洛倫茲場(chǎng)E2的計(jì)算:rO+-Pd?rsin?空腔表面上的電荷密度:-Pcos?黑環(huán)所對(duì)應(yīng)的微小環(huán)球面的表面積dS:dS=2?rsin

7、?rd?dS面上的電荷為:dq=-Pcos?dS?根據(jù)庫(kù)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=FdE=Pcos2?dS/4??or2=(2?rsin?rd?)(Pcos2?/4??or2)=Pcos2?sin?/2?or2d?整個(gè)空心球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)為:dE由0到?的積分洛倫茲場(chǎng)E2:E2=P/3?oE3為只考慮質(zhì)點(diǎn)附近偶極

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