电介质物理课件(2013-3)

2023/2/21第三章电介质的电导

本章讲解实际介质在电场作用下的有限电导过程及微观机理。

概述气体介质的电导液体介质的电导固体介质的电导2023/2/22§3-1概述一、载流子

离子从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子

带电的分子团-胶粒液体介质中的水珠

电子极少，在特殊条件下出现二、导电机构离子电导由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导；由杂质离子产生的杂质离子电导。电泳电导带电胶粒形成的基团产生的电导。电子电导一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。2023/2/23AL三、电导率与迁移率的关系2023/2/24欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手：减小电介质的载流子数,

降低迁移率。极化和电导的区别：离子微小位移——产生离子从一个电极位移至另一个电极——形成电导2023/2/25介质的电导有:体积电导:西门子/米（用s/m或者s/cm表示）表面电导:西门子与电介质的性质有关，与电介质表面吸附的导电杂质有关。2023/2/26§3-2气体介质的电导一、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）IIIIII气体介质的电流-电压关系2023/2/27二、气体介质中的载流子浓度2023/2/28在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。2023/2/29高电场区如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使n随E的增大指数增加，导致电流的指数增大。2023/2/210

气体介质多处于饱和电流区工作,气体介质饱和电流大小的估算是有实际意义的.如何估算?请同学考虑2023/2/211上次课内容:

●电导率宏观与微观的关系

●提高介质的绝缘性能的方法

●气体介质的电流-电压关系

2023/2/212§3-3液体介质的电导液体介质结构特点：具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的1000多倍),具有较大的流动性。常见的液体电介质：矿物油——变压器油、电容器油；植物油——蓖麻油、桐油；有机溶剂——苯、甲苯、四氯化碳；新型液体介质——十二烷基苯、硅油、酯类油。液体电介质的电导率：纯液体介质具有很低的电导率=10-13～10-15（cm）-1，含有杂质的液体介质的电导率=10-9～10-13（cm）-1。液体电介质的电导种类：离子电导，电泳电导2023/2/213一、液体介质的离子电导离子的来源:本征离子：液体本身的基本分子热离解.

杂质离子：外来杂质分子离解，液体本身的基本分子老化的产物二、离子电导率与温度的关系2023/2/2142023/2/215本征杂质液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同2023/2/216二、液体介质的电泳电导1.载流子——胶粒来源：1）加树脂（提高粘度、稳定性）——悬浮离子；

2）过量的水——细小水珠。特点：1）胶粒为分子的聚集体，大小在10-6～10-10m；

2）胶粒为分散体系，作布朗热运动；

3）胶粒为带电体，带电规律：胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体小，带负电2023/2/2172.华尔顿定律电场力F摩擦力f运动方向2023/2/218华尔顿定律适用范围有限：①温度范围有限②不适合杂质离子电导2023/2/2193.液体电导主要是杂质和胶粒，这都不是液体介质的本征特性。可以通过在液体介质中加硅胶和活性剂的精制方法来改善液体介质的性能。液体的本征离子电导是不能去除的,是其本身特性.符合华尔顿定律.液体介质的电泳电导注意两点:

电导率与介电常数的平方成正比电泳电导对液体电导率的影响高于液体的离子性电导2023/2/220§3-4固体介质的电导固体介质按结构可分为：晶体非晶体固体介质的电导按导电载流子的种类可分为：离子电导在弱场中主要是离子电导电子电导某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙，钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈现出电子电导的特性。固体介质导电性质的判断：霍尔效应―――判断电子电导法拉第效应―――判断离子电导2023/2/221SNI-+PalmFBI霍耳效应2023/2/222法拉第效应：上次课内容:●液体介质的离子电导率与温度的关系

●华尔顿定律●液体介质的电泳电导特点●

固体介质的本征离子电导来源

2023/2/225参与电导的离子为本征和杂质离子SchottkyFrenkel一、晶体介质的离子电导2023/2/2262023/2/2272023/2/2282023/2/229本征杂质低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导；高温时主要由活化能高的本征离子引起电导。2023/2/230二、无定形固体介质的电导

玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能U为平均值。激活能大，电导率低2023/2/231LiNaKR2．含碱玻璃的电导:杂质：Na2O，K2O，Li2O（典型的弱束缚离子）形成断键引入一价金属离子的影响：1．结构松散，使U下降，电导增加。2．缺陷离子数增加

，电导增加，也与R2O的浓度成正比2023/2/232KNa40%60%中和效应：当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损耗，这种效应称为“中和效应”。压抑效应：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金属氧化物（CaO、BaO等），由于二价碱土金属可使玻璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。3）降低玻璃的电导方法:2023/2/233三、固体介质的表面电导2023/2/234绝缘电阻与体积、表面电阻的关系芯片电容器不同工艺断面图2023/2/236注：1测量电极2.高压电极3.保护电极4.被测试样三电极系统2023/2/237体积电流的测量表面电流的测量（M—主电极；H—对电极；G—保护电极。）体积电流和表面电流的测量2023/2/2381.表面吸附的水膜对表面电导的影响2.表面清洁度对表面电导的影响表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。3.分子结构对表面电导的影响亲水介质疏水介质亲水介质：浸润角<90疏水介质：浸润角>90强极性对水分子的吸引力强，超过水分子之间的分子内聚力，这类介质表面所吸附的水分子容易形成连续的水膜，使表面电导增加。非极性对水分子的吸引力小于水分子之间的内聚力，吸附水在介质表面成为孤立的水滴，大气湿度对表面电导的影响很小影响表面电导的因素：2023/2/239六、固体介质的电子电导主要为：禁带宽度（Eg）较小的电介质和薄膜介质。来源：金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。运动形式：能带模型（EnergyBandModel）；跳跃模型（HoppingModel）；自由电子气模型（FreeElectronGasModel）2023/2/2401.能带模型ECmaxECEVEVminEFEg2023/2/2412023/2/242

当Eg>3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显。但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级。2023/2/2432.跳跃模型

各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电。越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起的热激发。aU2023/2/2443.自由电子气模型

在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电极注入方式引起——电荷注入型电流。ChildLaw2023/2/2451．试分析气体介质的载流子来源？解释气体介质的j—E曲线？2．试分析液体介质的载流子来源？并推导液体介质中离子的平均迁移率公式。3．什么是华尔屯定律？阐述它的用途及应用范围？4．电泳电导的定义？