第七章电介质材料和绝缘ppt课件

1、7.4 7.4 频率依赖：介电常数与介电损耗频率依赖：介电常数与介电损耗介电驰豫：介电驰豫：电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到达极化平衡电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到达极化平衡需要一定的时间，这个滞后的时间用弛豫时间需要一定的时间，这个滞后的时间用弛豫时间 描绘。描绘。电子极化和离子极化的时间非常短，而固有电矩的取向极电子极化和离子极化的时间非常短，而固有电矩的取向极化与热平衡性质有关，界面极化与电荷的堆积过程有关，它们化与热平衡性质有关，界面极化与电荷的堆积过程有关，它们则有较长的弛豫时间。则有较长的弛豫时间。极化弛豫现象造成电介质内部电位移极化弛豫现象造成电介质内部电位移D

2、 D 和场强和场强E E具有一定的具有一定的位相差，是引起电介质损耗的一个原因，研究极化弛豫可获得位相差，是引起电介质损耗的一个原因，研究极化弛豫可获得关于物质结构的知识。关于物质结构的知识。 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在交变电场的作用下在交变电场的作用下在上图的电场作用下在上图的电场作用下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.相对介电常数：相对介电常数：又称电容率或相对电容率又称电容率或相对电容率, ,表征电介质或绝缘材料电性能的表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据一个重要数据, ,常用常用rr表示。它是指在同一电容器中用同一物表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值质为电介质和真空时的电容的比值, ,表示电介质在电场中贮存静表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。电能的相对能力。表征介质在外电场作用下极化程度的物理量叫介电常数。表征介质在外电场作用下极

6、化程度的物理量叫介电常数。（在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映（在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映了介质的损耗）。实际上，介电常数并不是一个不变的数，在了介质的损耗）。实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同。不同的条件下，其介电常数也不相同。(7.27)rrj实部代表相对介电常数，虚部代表电介质中偶极子在电场实部代表相对介电常数，虚部代表电介质中偶极子在电场作用下克服随机碰撞的干扰，沿着不同方向来回取向时发作用下克服随机碰撞的干扰，沿着不同方向来回取向时发生的能量消耗。生的能量消耗。解释为什么取负号。解释为什么取负号。教材教材

7、497497页关于图页关于图7.137.13的解释。的解释。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 如图如图a所示，在真空电容器所示，在真空电容器 二端加上交流电压二端加上交流电压 产生的电流为产生的电流为 ，其相位图见，其相位图见b）。若在电容器中充以）。若在电容器中充以电介质图电介质图c）。可作起等效电路图）。可

10、作起等效电路图d），其中），其中 为为纯电容，纯电容， 为等效电导，相位图见为等效电导，相位图见e）。这时总电流为：）。这时总电流为：0C0jwtVV e0 0jwtIjwCVeCGcIIGVIcI滞后滞后 一个角度一个角度 ：2、在交变电场中的电介质、在交变电场中的电介质11GCIGtgtgIwC1100,GrCCQCIGIIGVtgtgQCIwC根据式根据式可得：可得：00000,rrrrrrGwCtgIjwCwCtgVjwjtgC VIjw CV 其中其中 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：rrrrrrjtgj 称为介质损耗角。一般的电工介质

11、材料称为介质损耗角。一般的电工介质材料 约为约为 ，用于，用于光纤通信等的石英光纤玻璃，光纤通信等的石英光纤玻璃， 可小至可小至 。410781010 的实部的实部 即为静电场下介质的相对介电常数即为静电场下介质的相对介电常数 ，它反映介质的储存电荷的能力；它反映介质的储存电荷的能力； 的虚部的虚部 表示电介表示电介质电导引起的电场能量的损耗，它的物理意义是单位质电导引起的电场能量的损耗，它的物理意义是单位体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能量通常转化成热能而耗散掉。些能量通常转化成热能而耗散掉。rrrrr 把把 随外电场频率随外电场

12、频率 变化的过程称为介电色散。在一变化的过程称为介电色散。在一定的频率范围内，测量介电常数随频率变化的特性曲线称定的频率范围内，测量介电常数随频率变化的特性曲线称为介电谱。在交变电场作用下，电介质中的原子、分子、为介电谱。在交变电场作用下，电介质中的原子、分子、偶极矩都会吸收电场的能量，使它们自己处于较高的能量偶极矩都会吸收电场的能量，使它们自己处于较高的能量状态或转化成热能，这些统称为介电吸收介电损耗）。状态或转化成热能，这些统称为介电吸收介电损耗）。 rw2200(7.32)volrrWEEtg Fig 7.15From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2019)参见参见p498p498的解释的解释介质损耗 dielectric loss如果交变电场的频率足够低，取向极化能跟得上外加电场的变化，这时电介质的极化过程与静电场作用下的极化过程没有多大的区别。如果交变电场的频率足够高，电介质中的极化强度就会跟不上外电场的变化而出现滞后，从而引起介质损耗。 动态介电常数也不同于静态介电常数。所谓介质损耗，就是在某一频率下供给介质的电能，其中有一部分因强迫固有偶极矩的转动而使介质变热，即一部分电能以热的形式而消耗。可