第七章電介質(zhì)材料和絕緣ppt課件

1、7.4 7.4 頻率依賴：介電常數(shù)與介電損耗頻率依賴：介電常數(shù)與介電損耗介電馳豫：介電馳豫：電介質(zhì)的極化是一個(gè)弛豫過(guò)程，從施加電場(chǎng)到達(dá)極化平衡電介質(zhì)的極化是一個(gè)弛豫過(guò)程，從施加電場(chǎng)到達(dá)極化平衡需要一定的時(shí)間，這個(gè)滯后的時(shí)間用弛豫時(shí)間需要一定的時(shí)間，這個(gè)滯后的時(shí)間用弛豫時(shí)間 描繪。描繪。電子極化和離子極化的時(shí)間非常短，而固有電矩的取向極電子極化和離子極化的時(shí)間非常短，而固有電矩的取向極化與熱平衡性質(zhì)有關(guān)，界面極化與電荷的堆積過(guò)程有關(guān)，它們化與熱平衡性質(zhì)有關(guān)，界面極化與電荷的堆積過(guò)程有關(guān)，它們則有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間。則有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間。極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移D

2、 D 和場(chǎng)強(qiáng)和場(chǎng)強(qiáng)E E具有一定的具有一定的位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個(gè)原因，研究極化弛豫可獲得位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個(gè)原因，研究極化弛豫可獲得關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。 Fig 7.12From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)ttEEoEpd(0)Epd(0)Ed(0)Eo0The dc field is suddenly changed from Eoto E at time t = 0. Theinduced

3、dipole moment p has to decrease fromd(0)Eoto a final valueofd(0)E. The decrease is achieved by random collisions of moleculesin the gas.(0)(7.24)dpEdpdt 0exp()EEj t在交變電場(chǎng)的作用下在交變電場(chǎng)的作用下在上圖的電場(chǎng)作用下在上圖的電場(chǎng)作用下0(0)exp()(7.25)ddppEj tdt 00(0)( )exp()exp()(7.26)1ddpEj tEj tjFig 7.13From Principles of Electronic

4、 Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v = VosintP = Posin(t -)E = Eosint(a)rrr(0)11/10/100/0.01/0.1/r andr(b)(a) An ac field is applied to a dipolar medium. The polarization P (P = Np) isout of phase with the ac field. The relative permittivity is a complex numberwith

5、 real (r) and imaginary (r) parts that exhibit frequency dependence.相對(duì)介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)：又稱電容率或相對(duì)電容率又稱電容率或相對(duì)電容率, ,表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)一個(gè)重要數(shù)據(jù), ,常用常用rr表示。它是指在同一電容器中用同一物表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值, ,表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力。電能的相對(duì)能力。表征介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極化程度的物理量叫介電常數(shù)。表征介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下極

6、化程度的物理量叫介電常數(shù)。（在交變電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映（在交變電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分反映了介質(zhì)的損耗）。實(shí)際上，介電常數(shù)并不是一個(gè)不變的數(shù)，在了介質(zhì)的損耗）。實(shí)際上，介電常數(shù)并不是一個(gè)不變的數(shù)，在不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。不同的條件下，其介電常數(shù)也不相同。(7.27)rrj實(shí)部代表相對(duì)介電常數(shù)，虛部代表電介質(zhì)中偶極子在電場(chǎng)實(shí)部代表相對(duì)介電常數(shù)，虛部代表電介質(zhì)中偶極子在電場(chǎng)作用下克服隨機(jī)碰撞的干擾，沿著不同方向來(lái)回取向時(shí)發(fā)作用下克服隨機(jī)碰撞的干擾，沿著不同方向來(lái)回取向時(shí)發(fā)生的能量消耗。生的能量消耗。解釋為什么取負(fù)號(hào)。解釋為什么取負(fù)號(hào)。教材教材

7、497497頁(yè)關(guān)于圖頁(yè)關(guān)于圖7.137.13的解釋。的解釋。Fig 7.13From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v = VosintP = Posin(t -)E = Eosint(a)rrr(0)11/10/100/0.01/0.1/r andr(b)(a) An ac field is applied to a dipolar medium. The polarization P (P = Np) isout of phase w

8、ith the ac field. The relative permittivity is a complex numberwith real (r) and imaginary (r) parts that exhibit frequency dependence.Fig 7.14From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)v=VosintP=Posin(t -)CConductance =Gp= 1/Rp?v=VosintThe die

9、lectric medium behaves like an ideal (lossless) capacitor of capacitance C which is in parallel with a conductance Gp.000( )( )( )rrrj Aj AAYj Cddd (7.28)pYj CG0( )(7.29)rACd 0( )(7.30)rpAGd 如圖如圖a所示，在真空電容器所示，在真空電容器 二端加上交流電壓二端加上交流電壓 產(chǎn)生的電流為產(chǎn)生的電流為 ，其相位圖見(jiàn)，其相位圖見(jiàn)b）。若在電容器中充以）。若在電容器中充以電介質(zhì)圖電介質(zhì)圖c）?？勺髌鸬刃щ娐穲D）?？?/p>

10、作起等效電路圖d），其中），其中 為為純電容，純電容， 為等效電導(dǎo)，相位圖見(jiàn)為等效電導(dǎo)，相位圖見(jiàn)e）。這時(shí)總電流為：）。這時(shí)總電流為：0C0jwtVV e0 0jwtIjwCVeCGcIIGVIcI滯后滯后 一個(gè)角度一個(gè)角度 ：2、在交變電場(chǎng)中的電介質(zhì)、在交變電場(chǎng)中的電介質(zhì)11GCIGtgtgIwC1100,GrCCQCIGIIGVtgtgQCIwC根據(jù)式根據(jù)式可得：可得：00000,rrrrrrGwCtgIjwCwCtgVjwjtgC VIjw CV 其中其中 定義為復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)，簡(jiǎn)稱復(fù)介電常數(shù)：定義為復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)，簡(jiǎn)稱復(fù)介電常數(shù)：rrrrrrjtgj 稱為介質(zhì)損耗角。一般的電工介質(zhì)

11、材料稱為介質(zhì)損耗角。一般的電工介質(zhì)材料 約為約為 ，用于，用于光纖通信等的石英光纖玻璃，光纖通信等的石英光纖玻璃， 可小至可小至 。410781010 的實(shí)部的實(shí)部 即為靜電場(chǎng)下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)即為靜電場(chǎng)下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ，它反映介質(zhì)的儲(chǔ)存電荷的能力；它反映介質(zhì)的儲(chǔ)存電荷的能力； 的虛部的虛部 表示電介表示電介質(zhì)電導(dǎo)引起的電場(chǎng)能量的損耗，它的物理意義是單位質(zhì)電導(dǎo)引起的電場(chǎng)能量的損耗，它的物理意義是單位體積介質(zhì)中當(dāng)單位場(chǎng)強(qiáng)變化一周時(shí)所消耗的能量，這體積介質(zhì)中當(dāng)單位場(chǎng)強(qiáng)變化一周時(shí)所消耗的能量，這些能量通常轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。些能量通常轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。rrrrr 把把 隨外電場(chǎng)頻率隨外電場(chǎng)

12、頻率 變化的過(guò)程稱為介電色散。在一變化的過(guò)程稱為介電色散。在一定的頻率范圍內(nèi)，測(cè)量介電常數(shù)隨頻率變化的特性曲線稱定的頻率范圍內(nèi)，測(cè)量介電常數(shù)隨頻率變化的特性曲線稱為介電譜。在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的原子、分子、為介電譜。在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的原子、分子、偶極矩都會(huì)吸收電場(chǎng)的能量，使它們自己處于較高的能量偶極矩都會(huì)吸收電場(chǎng)的能量，使它們自己處于較高的能量狀態(tài)或轉(zhuǎn)化成熱能，這些統(tǒng)稱為介電吸收介電損耗）。狀態(tài)或轉(zhuǎn)化成熱能，這些統(tǒng)稱為介電吸收介電損耗）。 rw2200(7.32)volrrWEEtg Fig 7.15From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)參見(jiàn)參見(jiàn)p498p498的解釋的解釋介質(zhì)損耗 dielectric loss如果交變電場(chǎng)的頻率足夠低，取向極化能跟得上外加電場(chǎng)的變化，這時(shí)電介質(zhì)的極化過(guò)程與靜電場(chǎng)作用下的極化過(guò)程沒(méi)有多大的區(qū)別。如果交變電場(chǎng)的頻率足夠高，電介質(zhì)中的極化強(qiáng)度就會(huì)跟不上外電場(chǎng)的變化而出現(xiàn)滯后，從而引起介質(zhì)損耗。 動(dòng)態(tài)介電常數(shù)也不同于靜態(tài)介電常數(shù)。所謂介質(zhì)損耗，就是在某一頻率下供給介質(zhì)的電能，其中有一部分因強(qiáng)迫固有偶極矩的轉(zhuǎn)動(dòng)而使介質(zhì)變熱，即一部分電能以熱的形式而消耗?？?/p>