第三章 材料的介电性能

1、电场电场E E电中性电中性极化状态极化状态极化示意图极化示意图 介为介为之间之间，电为，电为电场电场，介电性能就是把材料放入电场，介电性能就是把材料放入电场中显示出来的性能。中显示出来的性能。 介电材料就是电介质，是电的介电材料就是电介质，是电的绝缘体绝缘体，放入电场中材，放入电场中材料内部会有反应，微观是料内部会有反应，微观是极化极化，宏观反应是，宏观反应是增大电容增大电容等。等。第三章第三章 材料的介电性能材料的介电性能三类物质对匀强三类物质对匀强静电场的反应静电场的反应真空真空绝缘体绝缘体导体导体无反应，电场线无阻碍通过无反应，电场线无阻碍通过产生束缚电荷，建立与外场相产生束缚电荷，建立

2、与外场相反方向的电场，内部电场降低反方向的电场，内部电场降低产生感生电荷，建立与外场相反方产生感生电荷，建立与外场相反方向的电场，内部场强降低为向的电场，内部场强降低为0 0极是唯一的意思极是唯一的意思极化极化：由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能：由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移。然而在外电场的作用下，这些带电粒子仍然发生宏观的位移。然而在外电场的作用下，这些带电粒子仍然可以有微观的位移，即电介质可以被极化。可以有微观的位移，即电介质可以被极化。微观上的电中性被破坏微观上的电中性被破坏，材料内部（非匀强电场）或表面（匀，材料内部（非匀强电场）或表面（

3、匀强电场）出现束缚电荷强电场）出现束缚电荷 介电性能是绝缘材料和电场相互作用的体现，其本质是极化。建立极化的原因建立极化的原因：外电场、外加压力、热膨胀、自发极化等：外电场、外加压力、热膨胀、自发极化等应用也非常广泛应用也非常广泛增大电容、隔直增大电容、隔直微波炉微波炉点火器点火器压电马达压电马达微位移探针控制微位移探针控制克隆细胞克隆细胞用的微位用的微位移探针移探针主要内容主要内容v电介质及其极化v交变电场下的电介质v电介质在电场中的破坏v压电性、热释电性、铁电性本章关键词：极化极化学习本章的关键：学习本章的关键：描述材料的极化及其产生原因描述材料的极化及其产生原因3.1.1 3.1.1 平

4、板电容器及其电介质平板电容器及其电介质电容：两个临近导体加上电压后具有储存电荷的能力电容：两个临近导体加上电压后具有储存电荷的能力恒压下，两个导体之间不接触，没有电流产生恒压下，两个导体之间不接触，没有电流产生VdAqAQ0 VQC 法拉第（法拉第（M.FaradayM.Faraday）发现一种材料插入两平板后，电容增加）发现一种材料插入两平板后，电容增加（带电量不变，板间电场降低，电压减小，因此电容增大）（带电量不变，板间电场降低，电压减小，因此电容增大）3.1 3.1 电介质及其极化电介质及其极化真空平板电容器的电容（真空平板电容器的电容（由其组成结构决定由其组成结构决定）dAVAdVVQ

5、C000)/( dACCrr00 为介电常数，反应材料对外静电为介电常数，反应材料对外静电场的反应能力场的反应能力在平板电容器中插入导电材料（跟两板不接触），也在平板电容器中插入导电材料（跟两板不接触），也能增加电容，但那不属于电介质能增加电容，但那不属于电介质相同电压下，束缚电荷越多，束缚电场也越大，电相同电压下，束缚电荷越多，束缚电场也越大，电介质内部电场相对越小，表明介电常数也越大介质内部电场相对越小，表明介电常数也越大自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷产生的电场较小，自由电荷产生的电场较束缚电荷产生的电场较小，自由电荷产生的电场较大，二者方向相反大，二者方向相反3.1.2 3.1

6、.2 描述极化相关的概念和物理量描述极化相关的概念和物理量1 1、极性分子、非极性分子、极性分子、非极性分子正负电荷中心是否重合正负电荷中心是否重合2 2、电偶极子、电偶极子COOH,2HeCH ,4极性分子极性分子非极性分子非极性分子ql 电偶极矩（矢量）电偶极矩（矢量）3 3、极化强度、极化强度无外场情况下，极性分子偶极矩不为无外场情况下，极性分子偶极矩不为0 0，但宏观为，但宏观为0 0 非极性分子偶极矩为非极性分子偶极矩为0 0，宏观也为，宏观也为0 0 VP单位体积内的偶极矩矢量单位体积内的偶极矩矢量和等于面束缚电荷密度和等于面束缚电荷密度4 4、电极化率（以各向同性介质为例）、电极

7、化率（以各向同性介质为例）EPe0 电极化强度的大小和实际有效电场有关电极化强度的大小和实际有效电场有关e 为电极化率为电极化率1 re )1(0 rEP 5 5、电位移（以各向同性介质为例）、电位移（以各向同性介质为例）PED 0 6 6、介电常数、相对介电常数、介电常数、相对介电常数EEEEPEDrre 0003.1.3 3.1.3 电介质极化的机制（电介质极化的机制（分分5 5大类大类）1 1、电子、离子位移极化、电子、离子位移极化 （1 1）电子轨道相对于原子核发生位移）电子轨道相对于原子核发生位移 （2 2）离子轨道偏移平衡位置）离子轨道偏移平衡位置性质：可逆性质：可逆 建立时间：光

8、频建立时间：光频1010-12-12 1010-15-15s s2 2、驰豫极化、驰豫极化 在外加电场下，宏观极化强度一般是各种机制的在外加电场下，宏观极化强度一般是各种机制的综合贡献结果综合贡献结果外电场如果频率太高，驰豫极化来不及发生外电场如果频率太高，驰豫极化来不及发生0334 Re 0341 naakTqaT1222 eT 与带电质点的热运动相关与带电质点的热运动相关外加电场使弱束缚外加电场使弱束缚电子电子的运动具有方向性的运动具有方向性（不可逆，（不可逆， 1010-2-2 1010-9-9s s ）外加电场使弱束缚外加电场使弱束缚离子离子的运动具有方向性的运动具有方向性（不可逆，（

9、不可逆， 1010-2-2 1010-5-5s s ）极化率极化率E 3 3、取向极化、取向极化 沿外场方向的偶极子沿外场方向的偶极子多于多于与外场反向的偶极子数目与外场反向的偶极子数目性质：热运动破坏取向极化性质：热运动破坏取向极化 建立时间：建立时间：1010-2-2 1010-10-10s s4 4、空间电荷极化、空间电荷极化 晶界处空间电荷在外场下有序化（数秒甚至数十小时）晶界处空间电荷在外场下有序化（数秒甚至数十小时）5 5、自发极化、自发极化 与晶体结构相关（后边介绍）与晶体结构相关（后边介绍）s kTd320 不同的极不同的极化机制小化机制小结结 图图3.1.4 3.1.4 宏观

10、极化强度和微观极化率的关系宏观极化强度和微观极化率的关系1 1、退极化场和局部电场、退极化场和局部电场2 2、克劳休斯莫索堤方程、克劳休斯莫索堤方程 iiNP 单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和dEEE 0宏宏宏观电场宏观电场E E0 0E Ed dP P莫索堤导出球形腔内局部电场莫索堤导出球形腔内局部电场03P 宏宏EEloc 考虑莫索堤局部电场考虑莫索堤局部电场 iiN 0rr121)(121210rrsdiN 假设多种微观极化机制都起作用假设多种微观极化机制都起作用 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极适用于分子间作用很弱

11、的气体、非极性液体、非极性固体、立方对称的晶体性固体、立方对称的晶体 提高介电常数的方法：大的的极化率离子，单位提高介电常数的方法：大的的极化率离子，单位体积内极化质点多体积内极化质点多 介电常数和折射率有关，想提高材料的折介电常数和折射率有关，想提高材料的折射率，从提高介电常数入手射率，从提高介电常数入手3.2 3.2 交流电场下的电介质交流电场下的电介质 电介质在电路中应用，主要是承受交流电场作用，电介质在电路中应用，主要是承受交流电场作用，因此电介质的动态特性非常重要。因此电介质的动态特性非常重要。3.2.1 3.2.1 复介电常数和介质损耗复介电常数和介质损耗理想平板真空电容器理想平板

12、真空电容器dAC00 加上交流电压，角频率加上交流电压，角频率f 2 tieUU 0 复数描述复数描述则电极板上出现周期性则电极板上出现周期性变化的电荷量变化的电荷量ticeUCidtdQI 00 回路电流也是周期性变化的回路电流也是周期性变化的超前电压相位超前电压相位9090tieUCUCQ 000 若电容极板间充填理想电介质若电容极板间充填理想电介质（即不导电），则只是电容变（即不导电），则只是电容变大，大， 回路电流为回路电流为crtiIeCUidtdQI 0CCr 0实际电介质并非这样，其实际电介质并非这样，其电导率并不是为电导率并不是为0 0，总有漏，总有漏电，因此总电流包括两部电，

13、因此总电流包括两部分：容性电流和电导分量分：容性电流和电导分量UGCiGUCUiIIIIcT)( 其中，电导其中，电导dAG dACr0 电容电容UdAdAiIrT)(0 i*与直流情况下的欧姆定与直流情况下的欧姆定律比较，规定复电导率律比较，规定复电导率可以看到如果可以看到如果 ，那么复电导率退化为一般形式，那么复电导率退化为一般形式0 真实电介质平板电容器的电流包含三部分真实电介质平板电容器的电流包含三部分1 1、理想电容充电造成的电流（第一项）、理想电容充电造成的电流（第一项）2 2、电容器真实电介质极化建立的电流（第二项）、电容器真实电介质极化建立的电流（第二项）3 3、电容器真实电介

14、质漏电流（第三项）、电容器真实电介质漏电流（第三项） )1(*00erii1 re 由由得得总电流超前电压不再是总电流超前电压不再是9090，而是（而是（9090）， 为损耗角为损耗角 tan 以上是从电导考虑，那如果从另一个角度分析，从电容以上是从电导考虑，那如果从另一个角度分析，从电容入手，仿照引入复电导率这个物理量，我们可以引入复电容入手，仿照引入复电导率这个物理量，我们可以引入复电容率这样的物理量（率这样的物理量（注意：从不同角度分析同一物理现象，其注意：从不同角度分析同一物理现象，其结论应该是相同的结论应该是相同的）从另一个角度看问题从另一个角度看问题定义，复介电常数定义，复介电常数

15、 * i 复相对介电常数复相对介电常数 *rrri 可以借助这两个物理量来分析总电流可以借助这两个物理量来分析总电流0*CCr UCCUQr0* 于是于是复电容复电容电量电量tirrreUCiiUiCdtdUCdtdQi 0 0*)( 则总电流则总电流UCCiIrrT)(0 0 则总电流可以分为二项则总电流可以分为二项1 1、理想电容（包括电介质的影响）充放电电造成的电流、理想电容（包括电介质的影响）充放电电造成的电流（第一项，没有能量损耗）（第一项，没有能量损耗）3 3、电容器真实电介质漏电流（第二项，与电压同相）、电容器真实电介质漏电流（第二项，与电压同相） tanrr结论相同结论相同定义

16、损耗角正切定义损耗角正切表示为获得给定的存储电荷要消耗能量的大小，称之为表示为获得给定的存储电荷要消耗能量的大小，称之为“利率利率”，是电介质作为绝缘材料使用的评价参数。，是电介质作为绝缘材料使用的评价参数。1)(tan Q成为品质因数成为品质因数材料的性能好在材料的性能好在什么哪里？什么什么哪里？什么是合适的材料？是合适的材料？需要这些物理量需要这些物理量的表征的表征如：出口欧洲的核桃如：出口欧洲的核桃大小、颜色都是有严大小、颜色都是有严格标准的格标准的3.2.1 3.2.1 电介质驰豫和频率响应电介质驰豫和频率响应电介质完成极化所需要的时间称为驰豫时间，用电介质完成极化所需要的时间称为驰豫

17、时间，用表示表示德拜方程德拜方程2222 22)(tan)1)(1 rrsrrsrrsrrrsrrrs r 静态（静态（ stability stability ）或低频下的相对介电常数，）或低频下的相对介电常数，频率为频率为0 0或极低或极低光频下相对介电常数，频率极大光频下相对介电常数，频率极大分析其物理意义分析其物理意义1 1、电介质的相对介电常数随所加电场的频率而变化、电介质的相对介电常数随所加电场的频率而变化 （因为极化建立需要时间，低频下所有极化都来得（因为极化建立需要时间，低频下所有极化都来得及建立，相对介电常数此时最高，而较高频率下，某些及建立，相对介电常数此时最高，而较高频率

18、下，某些极化将来不及建立，因此将有所降低）极化将来不及建立，因此将有所降低）2 2、当、当 ， 损耗因子极大损耗因子极大 此时，电介质内部偶极子和外电场发生共振，偶极此时，电介质内部偶极子和外电场发生共振，偶极子吸收电场能量，振动加剧，温度升高（子吸收电场能量，振动加剧，温度升高（微波炉微波炉） 1 研究介电常数与频率的关系，主要是研究电介质的极研究介电常数与频率的关系，主要是研究电介质的极化机制，从而了解材料引起损耗的机制。化机制，从而了解材料引起损耗的机制。 国际上规定家用微波炉的微波波长为国际上规定家用微波炉的微波波长为 122 mm122 mm，对应频率为，对应频率为 2450 MHz

19、2450 MHz，选择这个，选择这个频率，主要是为了避免干扰通讯。频率，主要是为了避免干扰通讯。微波穿透深度约为微波穿透深度约为5cm5cm，水分子每秒钟振动，水分子每秒钟振动24.524.5亿次，吸收了大量微波能量而发热亿次，吸收了大量微波能量而发热在室温时，在室温时，不同极化机不同极化机制和频率的制和频率的关系关系 tan, rr与角频率的关系与角频率的关系3.2.3 3.2.3 介电损耗分析介电损耗分析为什么有的手机比较省电？有的为什么有的手机比较省电？有的MP3MP3能听很长时间？能听很长时间？ 因为手机和因为手机和MP3MP3不是热得快，电池的能量应该尽量少的不是热得快，电池的能量应该尽量少的转换成热能