第五章材料的介電性能教程文件

第五章材料(cáiliào)的介電性能第一頁，共88頁。在外電場作用(zuòyòng)下，材料發(fā)生兩種響應(yīng)：電傳導(dǎo)電感應(yīng)絕緣起滿足電容作用(zuòyòng)的器件第二頁，共88頁。電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)：在電場作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。電介質(zhì)的特征是以正負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用和影響。電介質(zhì)物理研究對(duì)象：研究電介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷在電場（包括電頻電場和光頻電場）作用下的電極化過程；闡明其電極化規(guī)律與介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；揭示其宏觀介電性質(zhì)(xìngzhì)的微觀機(jī)制，進(jìn)而發(fā)展電介質(zhì)的效用。第三頁，共88頁。〈經(jīng)典電介質(zhì)科學(xué)叢書〉首批著作出版志賀介質(zhì)以極化為本質(zhì)特征，衍生多種功能效應(yīng)于一體，兼秉豐富深刻之物理內(nèi)涵，前程無限。嘆我介電學(xué)科，相對(duì)滯后，極化之類基本問題，仍未徹底解開。更有心態(tài)浮燥，不重基礎(chǔ)，回避難題，急功近利。諸多(zhūduō)不足之處，吾人當(dāng)自省。—姚熹院士第四頁，共88頁。姚熹乃學(xué)界之領(lǐng)軍人物，主編《經(jīng)典電介質(zhì)科學(xué)叢書》，實(shí)為膽識(shí)超群之善行義舉，功德無量。切望學(xué)者諸君，乘機(jī)奮起。須知經(jīng)典傳世之作，乃學(xué)科之根本。從此精讀(jīnɡdú)經(jīng)典，錘煉功底，不求捷徑，迎難而行。學(xué)科大發(fā)展，勢(shì)在必然中?！娋S烈2019年4月第五頁，共88頁。電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用：電子電路中的電容元件(yuánjiàn)、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。第六頁，共88頁。無機(jī)材料(cáiliào)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(cáiliào):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。第七頁，共88頁。電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷(zìyóudiànhé)。電介質(zhì)極化特點(diǎn)：內(nèi)部場強(qiáng)一般(yībān)不為零。1.有極分子(fēnzǐ)和無極分子(fēnzǐ)電介質(zhì)有極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心不重合。負(fù)電荷中心正電荷中心無極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心重合如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等。。++H+HO

介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)第八頁，共88頁。2.電介質(zhì)的極化(jíhuà)（1）無極分子的位移(wèiyí)極化加上外電場后，在電場作用下介質(zhì)分子正負(fù)電荷中心不再(bùzài)重合，出現(xiàn)分子電矩。第九頁，共88頁。無外電場時(shí)，有極分子電矩取向不同，整個(gè)介質(zhì)(jièzhì)不帶電。（2）有極分子(fēnzǐ)的取向極化在外電場中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用(zuòyòng)，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場方向趨于一致。第十頁，共88頁。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)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)的極化第十一頁，共88頁。電極化強(qiáng)度(qiángdù)矢量（1）電極化強(qiáng)度(qiángdù)矢量單位體積內(nèi)分子(fēnzǐ)電偶極矩的矢量和。（2）空間任一點(diǎn)總電場總電場外電場束縛電荷電場（3）電極化強(qiáng)度與總電場的關(guān)系極化率（4）極化率與相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系第十二頁，共88頁。介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示(biǎoshì)絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示(biǎoshì)，單位為法/米(F/m)

定義為電位移D和電場強(qiáng)度E之比，ε=D/Ε。電位移D的單位是庫/二次方米(C／m^2)。

某種電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比稱為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr，εr＝ε／ε0是無量綱的純數(shù)，

第十三頁，共88頁。說明(shuōmíng)：1.真空(zhēnkōng)中P=0，真空(zhēnkōng)中無電介質(zhì)。2.導(dǎo)體(dǎotǐ)內(nèi)P=0，導(dǎo)體(dǎotǐ)內(nèi)不存在電偶極子。注意:介質(zhì)極化也有均勻極化與非均勻極化之分。3.電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈電介質(zhì)的極化第十四頁，共88頁。電介質(zhì)極化(jíhuà)的微觀機(jī)理（類型）

彈性(tánxìng)位移極化（瞬時(shí)極化）取向極化(jíhuà)（弛豫極化(jíhuà)）電子位移極化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,τissmall離子位移極化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶極子取向極化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空間電荷極化(SpaceChargePolarizability)

Responseisquiteslow,τislarge松弛極化電子松弛極化離子松弛極化第十五頁，共88頁。電介質(zhì)極化(jíhuà)的微觀機(jī)理（類型）

第十六頁，共88頁。電子云位移極化的特點(diǎn)：a)極化所需時(shí)間極短，在一般頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為ε與頻率無關(guān)；

b)具有彈性，沒有能量損耗(sǔnhào)。c)溫度對(duì)電子式極化影響不大。電子(diànzǐ)位移極化：

電場作用時(shí)，正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子(diànzǐ)云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷中心分離的物理過程)

電子(diànzǐ)云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。第十七頁，共88頁。另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負(fù)電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態(tài)。在這個(gè)新平衡狀態(tài)中該原子具有一個(gè)有限(yǒuxiàn)大小的感應(yīng)偶極矩，用Pe表示感應(yīng)偶極矩的大小，Pe與電場之間的關(guān)系為：第十八頁，共88頁。其中(qízhōng)e稱為電子位移極化率。第十九頁，共88頁。利用(lìyòng)玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化率的大小與原子（離子）的半徑(bànjìng)有關(guān)第二十頁，共88頁。離子位移極化：對(duì)于離子組成的分子，在電場作用下，正負(fù)離子都要產(chǎn)生有限范圍的位移，因而使介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。這種感應(yīng)偶極矩是正負(fù)離子之間出現(xiàn)相對(duì)位移的結(jié)果。主要(zhǔyào)存在于離子化合物材料中，如云母、陶瓷等。在電場E的作用(zuòyòng)下，正負(fù)離子產(chǎn)生相對(duì)位移示意圖第二十一頁，共88頁。positivenegativeEP第二十二頁，共88頁。如果用i代表(dàibiǎo)離子位移極化率；Pi代表(dàibiǎo)離子位移的感應(yīng)偶極矩；E代表(dàibiǎo)電場強(qiáng)度。它們之間的關(guān)系為：第二十三頁，共88頁。離子位移極化(jíhuà)的特點(diǎn)：a)時(shí)間很短，在頻率不太高時(shí)，可以(kěyǐ)認(rèn)為ε與頻率無關(guān)；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個(gè)相反因素的影響：溫度升高時(shí)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.第二十四頁，共88頁。固有(gùyǒu)偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極分子），例如，水分子H2O，其中氧離子與二個(gè)氫離子不是在一條直線(zhíxiàn)上，而是分布在三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上。因此水分子的正負(fù)電荷中心不重合，存在固有偶極矩，如圖所示。第二十五頁，共88頁。P第二十六頁，共88頁。當(dāng)電場E=0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，所以各偶極矩的矢量和為零，介質(zhì)不存在極化。當(dāng)電場E0時(shí)，在電場作用下，這些固有偶極矩將沿著電場方向排列，各偶極矩的矢量和不為零，介質(zhì)產(chǎn)生極化。在離子位移極化和電子位移極化的情況，位移極化的產(chǎn)生是由于(yóuyú)電場力與彈性力的共同作用下出現(xiàn)與電場方向平行的感應(yīng)偶極矩。第二十七頁，共88頁。電場力的作用是使正負(fù)電荷中心分離，準(zhǔn)彈性力的作用是使正負(fù)電荷中心重合，即準(zhǔn)彈性力起著阻礙極化的作用。電場力與準(zhǔn)彈性力是矛盾的兩個(gè)方面。在取向極化的情況中，電場的作用是使分子的固有偶極矩轉(zhuǎn)到沿電場的方向排列；而妨礙定向(dìnɡxiànɡ)排列的阻力是介質(zhì)中分子的熱運(yùn)動(dòng)。第二十八頁，共88頁?；蛘哒f，電場(diànchǎng)的作用使固有偶極矩有序化，熱運(yùn)動(dòng)的作用使固有偶極矩?zé)o序化，電場(diànchǎng)與熱運(yùn)動(dòng)是矛盾的兩個(gè)方面。為了強(qiáng)調(diào)位移極化與取向極化的差別，有時(shí)也稱前者為與熱運(yùn)動(dòng)無關(guān)的極化，后者為與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的極化。取向極化與位移極化的機(jī)制不同，因此處理方法也不同。要用熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的規(guī)律來解決取向極化的問題。第二十九頁，共88頁。當(dāng)電場(diànchǎng)E=0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序化；電場(diànchǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)=0（絕對(duì)零度）時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當(dāng)電場(diànchǎng)E0，熱運(yùn)動(dòng)0時(shí)，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈低，有序化程度就愈低。第三十頁，共88頁。有極分子(fēnzǐ)的分布示意圖第三十一頁，共88頁。因?yàn)楫?dāng)溫度不等于絕對(duì)零度（即T0K）時(shí)，介質(zhì)中各分子的熱運(yùn)動(dòng)也不等于零，所以在一般電場作用下，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩是不能出現(xiàn)(chūxiàn)如圖所示的完全有序化，這也表示當(dāng)E=0，T0K時(shí)，各分子的固有偶極矩在電場方向上的分量各不相同,而固有偶極矩在電場方向上的分量才對(duì)介質(zhì)的極化有貢獻(xiàn).第三十二頁，共88頁。計(jì)算結(jié)果,可得取向極化率orien為式中為P0分子固有(gùyǒu)偶極矩，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。第三十三頁，共88頁。可以看出，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)(yǒuguān)，而位移極化率與溫度無關(guān)。第三十四頁，共88頁。偶極子取向極化的特點(diǎn)：a)極化是非彈性的，消耗的電場能在復(fù)原時(shí)不可能收回。b)形成極化所需時(shí)間較長，故ε與頻率(pínlǜ)有較大關(guān)系，頻率(pínlǜ)很高時(shí)，偶極子來不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其ε減小。c)溫度對(duì)極性介質(zhì)的ε有很大的影響。第三十五頁，共88頁。如果介質(zhì)極化時(shí)存在上述三種極化機(jī)制，其中以取向極化的貢獻(xiàn)(gòngxiàn)最大。分子中存在固有偶極矩的概念的建立，不僅可以解釋一些由有極分子組成的電介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)這一事實(shí)，而且對(duì)于電介質(zhì)的了解和有關(guān)的分子結(jié)構(gòu)知識(shí)都是有貢獻(xiàn)(gòngxiàn)的。第三十六頁，共88頁。松弛極化松弛質(zhì)點(diǎn)：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點(diǎn)由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂，電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點(diǎn)：比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘，極化建立時(shí)間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。第三十七頁，共88頁。（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)

缺陷區(qū)U松U’松U導(dǎo)電第三十八頁，共88頁。根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場作用下的運(yùn)動(dòng)，以及對(duì)弱離子運(yùn)動(dòng)位壘計(jì)算，可以得到離子熱弛豫極化率的大小為：

式中：q為離子荷電量，δ為弱聯(lián)系離子在電場作用下的遷移(qiānyí)。由式可見，溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，極化率減小。離子松弛極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù)。第三十九頁，共88頁。（2）電子松弛極化電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下，吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)，移到另一個(gè)陽離子結(jié)點(diǎn)；外加電場使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。第四十頁，共88頁。松馳極化的特點(diǎn)：松馳極化的帶電質(zhì)點(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)時(shí)移動(dòng)的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點(diǎn)需要克服一定的勢(shì)壘才能移動(dòng)，因此這種極化建立的時(shí)間較長（可達(dá)10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生(fāshēng)在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。第四十一頁，共88頁?？臻g電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。----++++----++++----++++外電場P第四十二頁，共88頁?？臻g電荷極化的特點(diǎn)：①時(shí)間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的升高(shēnɡɡāo)而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時(shí)因空間電荷來不及移動(dòng)，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。第四十三頁，共88頁。自發(fā)極化如果晶胞不僅結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，而且在無外力作用時(shí)晶胞本身的正、負(fù)電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復(fù)性。晶胞的固有電矩便會(huì)沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)(zhuàngtài)下，由于這種極化狀態(tài)(zhuàngtài)是在外場為零時(shí)自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。第四十四頁，共88頁。各種(ɡèzhǒnɡ)極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價(jià)金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有第四十五頁，共88頁。第四十六頁，共88頁。宏觀極化強(qiáng)度與微觀極化率外加電場E外E1

外加電場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)電荷的電場之和E1

（退極化電場，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：－++++－－－－++－－+－++++－－－第四十七頁，共88頁。2.原子位置上的局部電場Eloc

（有效電場）

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，局部電場與外電場相同。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)上的局部電場有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場周圍介質(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的電場貢獻(xiàn)。第四十八頁，共88頁。根據(jù)D=oE+P（D為電位移或電感應(yīng)）得P

=D－oE=（1－o

）E=o

（r－1）E由Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o得Eloc=（r

+2）E/3設(shè)介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于N，則又有

P=N=NEloc得（r

－1

）/（r+2

）=Ni/（3o

）上式為克勞修斯-莫索蒂方程3.克勞修斯-莫索蒂方程第四十九頁，共88頁。克勞修斯-莫索蒂方程的意義：建立了可測(cè)物理量r（宏觀量）與質(zhì)點(diǎn)極化率（微觀量）之間的關(guān)系?？藙谛匏?莫索蒂方程的適用范圍：適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體(gùtǐ)、具有適當(dāng)對(duì)稱性的固體(gùtǐ)。從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點(diǎn)：（r－1）/（r+2）=Ni/（3o）（r－1）/（r+2）-----r越大其值越大介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù)。第五十頁，共88頁。影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度(wēndù)系數(shù)介電常數(shù)與溫度(wēndù)呈強(qiáng)的非線性關(guān)系，用溫度(wēndù)系數(shù)描述溫度(wēndù)特征難度大介電常數(shù)與溫度(wēndù)呈線性關(guān)系，可以用溫度(wēndù)系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度(wēndù)的關(guān)系第五十一頁，共88頁。介電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩大類：非線性的陶瓷介質(zhì)：鐵電陶瓷、松弛極化十分明顯的材料。線性的陶瓷介質(zhì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)：隨溫度變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率，即：

TK=d/dT實(shí)際工作中的方法：TK=(t－o)/o(t－to)第五十二頁，共88頁。損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voeit，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。由Q=CoVV=Q/Co=Idt/CoI=CodV/dt電容上的電流：Io=iCoV兩極板間充入非極性完全絕緣的材料，電容上的電流：I=iCV=irCoV=rIo

第五十三頁，共88頁。如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電，則其中有一個(gè)與外加電壓相位相同的小電流（I=iCV+GV）通過ViCV設(shè)電導(dǎo)G僅由自由電荷產(chǎn)生，則:G=S/d,由于電容:C=lS/d則電流密度:j=(il+)E=*E=il*E復(fù)電導(dǎo)率*的定義：*=il+復(fù)介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率*的定義：*=il+復(fù)介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/l

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率*的定義：*=il+復(fù)介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/l

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復(fù)電導(dǎo)率*的定義：*=il+復(fù)介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項(xiàng)/電容項(xiàng)=/l

得：=ltg（

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）第五十四頁，共88頁。介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：根據(jù)用途，對(duì)其有不同的要求：要求為正：濾波旁路和隔直流的電容器；要求為負(fù)：熱補(bǔ)償(bǔcháng)電容器接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和高精度的電子儀器中的電容器。目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)。第五十五頁，共88頁。材料的介電性—電介質(zhì)的物理(wùlǐ)參數(shù)介電弛豫當(dāng)電介質(zhì)開始(kāishǐ)受靜電場作用時(shí)，要經(jīng)過一段時(shí)間后，極化強(qiáng)度才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值，這個(gè)現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時(shí)間稱為弛豫時(shí)間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時(shí)間很短，取向極化的弛豫時(shí)間較長，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。第五十六頁，共88頁。極化(jíhuà)強(qiáng)度的建立位移(wèiyí)極化強(qiáng)度P0是瞬時(shí)建立的，與時(shí)間無關(guān)。松弛極化Pr強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系比較復(fù)雜。第五十七頁，共88頁。材料的介電性——電介質(zhì)的物理(wùlǐ)參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場(diànchǎng)作用下的往往會(huì)發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場(diànchǎng)作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。第五十八頁，共88頁。介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)(yǒuguān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)(yǒuguān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)(yǒuguān)，引起的損耗稱為電導(dǎo)損耗。第五十九頁，共88頁。介電損耗—電導(dǎo)(diàndǎo)（或漏導(dǎo)）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電(dàidiàn)質(zhì)點(diǎn)。帶電(dàidiàn)質(zhì)點(diǎn)在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運(yùn)動(dòng)。實(shí)質(zhì)相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功，一切實(shí)用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場作用下，都會(huì)發(fā)生漏導(dǎo)損耗。第六十頁，共88頁。由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當(dāng)外電場頻率很低，即ω→0時(shí)，各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達(dá)到最大，而不造成損耗；②當(dāng)外電場頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時(shí)松弛極化對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)減小，使ω隨頻率升高而顯著下降，同時(shí)產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當(dāng)ω→∞時(shí)，損耗達(dá)到最大；③當(dāng)外電場頻率達(dá)到很高時(shí)，松弛極化來不及建立，對(duì)介電常數(shù)無貢獻(xiàn)，介電常數(shù)僅由位移極化決定，ω→0時(shí)，tanδ→∞，此時(shí)無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為(zuòwéi)絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化(jíhuà)損耗第六十一頁，共88頁。對(duì)于離子晶體，晶格振動(dòng)的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若外電場(diànchǎng)的頻率等于晶格振動(dòng)光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。介電損耗(sǔnhào)—共振吸收損耗(sǔnhào)第六十二頁，共88頁。介電損耗的表示(biǎoshì)方法交流電壓作用下的介電損耗較為復(fù)雜(fùzá)，不做要求第六十三頁，共88頁。材料(cáiliào)的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機(jī)材料，這些(zhèxiē)材料損耗的主要形式是電導(dǎo)損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。第六十四頁，共88頁。1）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們?cè)谕怆妶鰪?qiáng)度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強(qiáng)度時(shí)，由于氣體電離而吸收能量，造成(zàochénɡ)損耗，即電離損耗。當(dāng)固態(tài)絕緣物中含有氣孔時(shí)，由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也比固態(tài)小，必須盡量減小介質(zhì)中的氣孔。材料(cáiliào)的介電損耗第六十五頁，共88頁。2）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料(cáiliào)，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料(cáiliào)的介電損耗第六十六頁，共88頁。固體(gùtǐ)電介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿固體電介質(zhì)的電導(dǎo)理想的電介質(zhì)，在外電場作用下應(yīng)該是沒有傳導(dǎo)電流(chuándǎodiànliú)的。實(shí)際的電介質(zhì)，或多或少地具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點(diǎn)。無外電場，熱運(yùn)動(dòng)。有外電場，定向漂移。正電荷順電場方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆電場方向移動(dòng)，形成貫穿介質(zhì)的傳導(dǎo)電流(chuándǎodiànliú)。第六十七頁，共88頁。上式表示了電介質(zhì)的宏觀(hóngguān)參數(shù)電導(dǎo)率與微觀參數(shù)——電介質(zhì)單位體積內(nèi)載流子數(shù)N、載流子電荷q、載流子的遷移率μ之間的關(guān)系。提高電介質(zhì)的絕緣性能可以從兩個(gè)方面(fāngmiàn)著手：一是減少電介質(zhì)單位體積的載流子數(shù)；二是降低遷移率。對(duì)固體電介質(zhì)，要盡量減少雜質(zhì)、熱缺陷數(shù)目。第六十八頁，共88頁。表面電阻（電導(dǎo)）與體電阻（電導(dǎo)）固體(gùtǐ)電介質(zhì)電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)第六十九頁，共88頁。固體(gùtǐ)電介質(zhì)的電子電導(dǎo)電子(diànzǐ)電導(dǎo)的載流子：電子(diànzǐ)和空穴理想晶體—電子(diànzǐ)電導(dǎo)非常微弱實(shí)際晶體，雜質(zhì)的存在—電子(diànzǐ)電導(dǎo)較大隧道(suìdào)效應(yīng)第七十頁，共88頁。大部分固體(gùtǐ)電介質(zhì)的電子電導(dǎo)率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因?yàn)閷?dǎo)電的電子（或空穴）也是從各種不同的電離中心經(jīng)過熱激發(fā)而產(chǎn)生的，并且，對(duì)于過渡元素金屬氧化物，通常它的活化能都比較(bǐjiào)小，載流子數(shù)又多，所以，在低溫和室溫下，電子電導(dǎo)常起主要作用。第七十一頁，共88頁。固體電介質(zhì)的離子(lízǐ)電導(dǎo)載流子：正、負(fù)離子或離子空位固體電介質(zhì)按其結(jié)構(gòu)(jiégòu)可分為：晶體非晶體無機(jī)(wújī)電介質(zhì)和高分子非晶材料的高聚物第七十二頁，共88頁。固體(gùtǐ)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)1）無機(jī)晶體(jīngtǐ)材料電介質(zhì)的離子電導(dǎo)導(dǎo)電離子來源本征離子弱聯(lián)系離子熱缺陷(quēxiàn)在離子晶體中，考慮到它的本征電導(dǎo)和弱聯(lián)系電導(dǎo)時(shí)，σ隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成離子活化第七十三頁，共88頁。固體電介質(zhì)的離子(lízǐ)電導(dǎo)2）無機(jī)玻璃(bōlí)態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)玻璃(bōlí)與晶體的比較，玻璃(bōlí)具有：結(jié)構(gòu)疏松組成中有堿金屬離子勢(shì)壘不是單一的數(shù)值，有高有低。導(dǎo)電的粒子：離子電子第七十四頁，共88頁。玻璃(bōlí)離子電導(dǎo)率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時(shí)，堿金屬離子填充在玻璃(bōlí)結(jié)構(gòu)的松散處，電導(dǎo)率與堿金屬離子濃度有直線關(guān)系；到一定限度，即空隙被填滿后，開始破壞原來結(jié)構(gòu)緊密的部位，使整個(gè)玻璃(bōlí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步松散，導(dǎo)電率指數(shù)上升。減小玻璃(bōlí)電導(dǎo)率的方法有雙堿效應(yīng)、壓堿效應(yīng)。雙堿效應(yīng)：當(dāng)玻璃(bōlí)中堿金屬離子總濃度較大時(shí)（占玻璃(bōlí)組成25—30%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃(bōlí)電導(dǎo)率小，當(dāng)比例適當(dāng)時(shí)，電導(dǎo)率可降低很低。第七十五頁，共88頁。以K2O、Li2O為例說明雙堿效應(yīng)的原因：RK+>RLi+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動(dòng)時(shí)，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通過本身的空位；Li+進(jìn)入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進(jìn)入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進(jìn)入小空位，使通路堵塞，妨礙(fángài)小離子的運(yùn)動(dòng)；相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。第七十六頁，共88頁。半導(dǎo)體玻璃：電子電導(dǎo)性的玻璃。含有變價(jià)過渡金屬離子的某些氧化物玻璃具有電子導(dǎo)電性。例如：金屬氧化物玻璃、硫族與金屬的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶態(tài)。壓堿效應(yīng)：含堿金屬玻璃中加入二價(jià)金屬離子，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低。相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強(qiáng)。原因：二價(jià)離子與玻璃中氧離子結(jié)合(jiéhé)比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動(dòng)困難，電導(dǎo)率降低。第七十七頁，共88頁。高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子以共價(jià)鍵方式與相鄰(xiānɡlín)原子鍵接，不存在自由電子或其它形式載流子（具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物例外）。理論計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)完整的純聚合物，電導(dǎo)率僅為10－25。但實(shí)際聚合物的電導(dǎo)率往往(wǎngwǎng)比它大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，表明聚合物絕緣體中載流子主要來自材料外部，即由雜質(zhì)引起的。2）無機(jī)(wújī)玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導(dǎo)第七十八頁，共88頁。這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量沒有反應(yīng)的單體、殘留的引發(fā)劑和其他各種助劑以及(yǐjí)聚合物吸附的微量水分等。例如，在電場(diànchǎng)作用下電離的水，就為聚合物提供了離子型載流子。水對(duì)聚合物的絕緣性影響最甚，尤其(yóuqí)當(dāng)聚合物材料是多孔狀或有極性時(shí)，吸水量較多，影響更大。例如以橡膠填充的聚苯乙烯材料在水中浸漬前后電導(dǎo)率相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同樣情況下電導(dǎo)率猛增八個(gè)數(shù)量級(jí)。第七十九頁，共88頁。載流子遷移率大小(dàxiǎo)決定于載流子從外加電場獲得的能量和熱運(yùn)動(dòng)碰撞時(shí)損失的能量。研究表明，離子型載流子的遷移(qiānyí)與聚合物內(nèi)部自由體積的大小有關(guān)，自由體積越大，遷移(qiānyí)率越高。電子和空穴型載流子的遷移則與大分子堆砌(duī