课件-4.1介电极化(材料物理性能).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4.1介电极化(材料物理性能),2,1.,掌握电介质极化的形式和特点；,2.,了解复介电常数的意义和介质损耗的形式；,3.,掌握提高介质材料介电强度的方法。,一、介质的极化,二、介质的损耗,三、介电强度,由于介质材料在电场的作用下，带电质点发生短距离的位移，而不是传导电流，因此在电场中表现出特殊的性状，大量地用于,电绝缘体和电容元件,。,要求,本章内容,第,4,章 材料的介电性能,3,4,1.,电介质,：,通常,10,9,m,，,从电场这一角度看，,电介质就是绝缘体,2.,极化现象：,概述,在电场作用下，能建立极化的一切物质。,导体：,10,-5,m,半导体：,10,-5,m,10,9,m,将电介质放入电场，表面出现电荷。这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做,电介质的极化,。所产生的电荷称之为“感应电荷”。,只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。,5,正极板附近的介质表面上感应出负电荷,负极板附近的介质表面上感应出正电荷,+,+,+,+,-,-,-,-,E,3,、电介质内部的总场强,极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消，它只能削弱外电场。,介质内部的总场强不为零！,6,3.,电介质的结构,电介质的主要特征,:,质点中电子被原子核束缚得很紧，即使在外电场作用下，电子一般只能相对于原子核有一微观的位移，而不象导体中的电子那样，能够脱离所属原子作宏观运动。,-,-,-,+,H,2,+,+,-,-,Ti,O,-,O,-,-,TiO,2,-,+,7,1,）真空平行板电容器,C,0,A,为面积，,d,为板极间距，,0,真空介电常数,0,=8.8510,-12,F,m(,法拉,/,米,),是电介质的介电常数，,r,称相对介电常数。,r,反映了电介质极化的能力,4.,电容,2),嵌入电介质的电容器,C,8,物质,真空,空气,玻璃,水,纸,云母,钛酸钡,1,1,5,10,78,3.5,3.7,7.5,10,3,10,4,电介质对电容器的的影响,（,1,）可以使电容,C,增加；,C=C,0,其中,C,0,是电容器极板间为真空时的电容。,（,2,）极板间其间充满均匀的电介质可以 增加电容器的耐压能力（与空气相比）。,物质,空气,云母,玻璃,纸,钛酸钡,介电强度（,KV/mm,）,3,80,200,5,13,16,40,310,3,9,4.1,介质的极化,一、极化及极化参数,二、克劳修斯,-,莫索蒂方程,三、介质的极化,掌握介质的极化现象及其物理量；,理解介质极化的各种形式（包括电子位移极化、离子位移极化、松驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化），,要求,:,分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。,通过定义电介极化强度,建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系，电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电场之间的关系，推导出介电常数与质点极化率的关系。,10,一、极化及极化参数,电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化,1.,极化,非极性介质极化过程：,2,）,有了外电场，正、负电荷将分别受到相反方向的电场力作用而被拉开，导致正、负电荷中心发生相对位移。,3,）,介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子的过程。,1,）无外加电场时，正、负电荷中心是重合的,；,11,在外电场作用下，电介质的两个表面分别出现的正电荷和负电荷，它们,是和介质分子连在一起的，不能在电介质中自由移动，也不能脱离电介质而独立存在，故称为,束缚电荷或极化电荷。,4,）每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列；,在外电场作用下，电介质出现束缚电荷的这种现象,，称为电介质的极化。,5,）在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现正、负电荷，为束缚电荷或极化电荷。,束缚电荷或极化电荷,12,3,）当有外电场 时，每个偶极子受到力偶矩作用，各个偶极子方向趋向一致，要转向外电场的方向。,极性介质极化过程,4,）在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。,1,）介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重合，存在一定距离，自身形成一个偶极子；,2,）无外加电场时，各个偶极子方向随机排列，杂乱无序；,5,）如果撤去外电场，由于分子热运动，偶极子的排列又将变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性状态。,13,偶极子：在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子。,l,-q,+q,E,偶极子,2.,极化物理量,(1,）电偶极矩,：,=ql,（单位：库仑,米）,电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致,2.1,电偶极矩,质点的极化率,：,=/,E,loc,，,表征材料的极化能力,局部电场,E,loc,：作用在微观质点上的局部电场,14,（,2,）外电场对点偶极子的作用,在外电场,E,的作用下一个点电偶极子,p,的位能,:,上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低，而反向时能量为最高。,U=,-p,E,力,f,使电偶极矩向电力线密集处平移，,力矩,M,使电偶极矩朝外电场方向旋转。,点电偶极子所受外电场的作用力,f,和作用力矩,M,分别,:,f,=,p,E,；,M=p,E,15,（,1,）介质的极化强度,P,：,P=/V,单位介质体积内的电偶极矩总和,电介质极化系数,P,与宏观平均电场,E,成正比,2.2,极化强度,P,P=,(,0,),E=,0,(,r,-,1),E,可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率,有以下关系,:,极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量，其单位为,C/m,2,。,（,2,）介质的极化强度与宏观可测量之间的关系,对各向同性介质，实验表明，当电场不太强时，极化强度与场强成正比,r,=,1,+,16,二、克劳修斯,-,莫索蒂方程：,在外电场的作用下电介质发生极化，整个介质出现,宏观电场,，但作用在每个分子或原子上使之极化的,局部电场（也叫有效场）,并不包括该分子或原子自身极化所产生的电场，因而局部电场不等于宏观电场。但局部电场与宏观电场有关。,宏观电场,E,平行板两端的实际电场强度为外加电场,E,外,与退极化场,E,1,之和。即,E=E,外,+E,1,这一电场为宏观电场。,原子位置上的局部电场,E,loc,原子位置上的局部电场,E,loc,也叫有效电场。,晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场,E,外,与晶体内部内部其它原子偶极子所产生的电场之和,即,E,loc,=,E,外,+,E,总,。,对于气体质点，其质点的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同,17,构成物体的所有质点电荷的电场之和,E,1,（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）,1.,宏观电场：,外加电场,E,外,E,1,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,退极化场,E,1,外加电场,E,外,(,物体外部固定电荷所产生。即极板上的所有电荷所产生）,E,宏,=E,外,+E,1,18,退极化场,E,1,2,原子位置上的局部电场,E,loc,1,）局部电场,晶体中其它原子所产生的电场,E,总,外加电场,E,外,晶体中原子上的内电场,球外介质的作用：,晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原子的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场：,E,总,=,E,1,+E,2,+E,3,洛伦兹场,E,2,：,空球表面极化电荷作用场,(,E,2,),称为洛伦兹场,E,3,为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定,空腔内其他偶极子的场,E,3,：,晶体中其它原子所产生的电场,E,总,19,由,P=,Q,1,/A=,o,E,1,得：,E,1,=,P,/,o,退极化场,E,1,：,对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：,外加电场,E,外,E,1,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,2,）局部电场,E,loc,为了方便，可将其他原子偶极子场进行分解，并对其求和。,20,洛伦兹场,E,2,：,在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔，空腔表面上的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场,E,2,。可根据库仑定律,以,表示相对于极化方向的夹角，,处空腔表面上的面电荷密度就是,-,P,cos,，取,d,角对应的微小环球面，其表面积,d,S,为：,21,dq,在空腔球心,O,点产生的电场,dS,面上的电荷：,整个空腔球面上的电荷在,O,点产生的洛伦兹场,E,2,:,22,E,3,为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，具有对称中心及立方对称环境结构的晶体，,E,3,=0,。,得局部电场（洛伦兹关系）,:,空腔内其他偶极子的场,E,3,23,3,克劳修斯,莫索蒂方程,克劳修斯,-,莫索蒂方程,：,由,P,=,0,（,r,-1,）,E,，及,P,=,nE,loc,24,（,r,1,）,/,（,r,+2,）,=n,/,（,3,o,）,（,r,1,）,/,（,r,+2,）,-,r,越大其值越大,克劳修斯,-,莫索蒂方程的意义：,建立了可测物理量,r,（宏观量）与质点极化率,（微观量）之间的关系,克劳修斯,-,莫索蒂方程的适用范围：,由于在推导克劳修斯,-,莫索蒂方程上时，假设,E,3,=0,，,适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体,高介电常数质点的,r,和,：,从克劳修斯,-,莫索蒂方程可知，为了获得高介电常数的介质，需要选择大,的离子，极化介质中极化质点数,n,要多，即单位体积的极化质点数要多,25,第二种是松弛极化。这种极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。,三、介质的极化,1.,介质极化种类,：,电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等,2.,极化基本形式：,第一种是位移式极化。是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。,电子位移极化、离子位移极化属这种情况,电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型,26,27,四、位移极化,（一）电子位移极化,在外电场作用下，,由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象叫做,叫电子位移极化。,位移极化,位移极化主要是由电子的移动造成的。,外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。,均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，,非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。,28,一个质量为,m,，带电为,-,e,的粒子，为一带正电,+,e,的中心所束缚，弹性恢复力为,-,kx,。则在电场作用下的运动方程为：,表示,x,对时间,t,的二阶导数。,k,是弹性恢复系数，,x,表示粒子的位移,1.,电子位移极化的经典理论,1),电偶极矩,电荷,-,e,的运动方程,29,电偶极矩,电荷的相对位移,x,弹性偶极子的固有振动频率,30,静态极化率,令,0,，得静态极化率,2,）极化率,电子极化率依赖于频率,31,电荷,(-e),环绕以电荷,+q,为圆心的圆周轨道运行。垂直于轨道平面的电场,E,loc,使,+,q,沿轴线从轨道中心移至,M,点，则原子感生偶极矩为,=,ed,，,d,=,OM,。,3,）玻尔原子模型估算,e,32,核与电子吸引力,e,2,/4,0,R,2,和,F,R,之间平衡而形成稳定的轨道，因此有,根据三角形几何关系,:,F,R,为沿轨道运行的电子的离心力,33,电偶极矩,和极化率,e,若考虑同类原子的一个集合，它们所有轨道是随机取向，如电场较低，则在电场方向上平均感生偶极矩为,=,cos,2,=1/3,电子极化率的大小与原子,(,离子,),半径有关,平均感生偶极矩,34,离子的极化率和半径,离子,极化率,(,3,),半 径,R(),离子,极化率,(,3,),半 径,R(),离子,极化率,(,3,),半 径,R(),Li,+,0.031,0.60,B,3+,0.003,0.20,F,1.04,1.36,Na,+,0.179,0.95,Al,3+,0.052,0.50,Cl,3.66,1.81,K,+,0.83,1.33,Sc,3+,0.286,0.81,Br,4.77,1.95,Rb,+,1.40,1.49,Y,3+,0.55,0.93,I,7.10,2.16,Cs,+,2.42,1.69,La,3+,1.04,1.04,O,2,3.88,1.40,Be,2+,0.008,0.31,C,4+,0.0013,0.15,S,2,10.2,1.84,Mg,2+,0.094,0.65,Si,4+,0.0165,0.41,Se,2,10.5,1.98,Ca,2+,0.47,0.99,Ti,4+,0.185,0.68,Te,2,14.0,2.21,Sr,2+,0.86,1.13,Ce,4+,0.73,1.01,Ba,2+,1.55,1.35,35,在电场中离子的位移，受到弹性恢复力的限制。,设离子位移,+,，负离子位移,-,，,+,和,-,符号相反。,（二）离子位移极化,离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。,感生的电偶极矩,：,在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹簧振子。,36,2),运动方程,约化质量,正离子受到弹性恢复力：,-k(,+,-,-,),负离子受到弹性恢复力：,-k(,-,-,+,),1),弹性恢复力：,运动的牛顿定律：,相对振动的固有频率,37,3),正负离子的相对位移：,4),离子位移极化率,静态极化率,令,0,，可得静态极化率,离子位移极化建立的时间约为,10,-12,-10,-13,秒,离子位移极化和电子位移极化的表达式一样，都具有弹性偶极子的极化性质,38,比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。,五、松弛极化,松弛质点：,松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。,材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子,松弛极化,：,松弛极化的特点：,39,弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是不可逆的迁移。,这种迁移的行程比弹性位移距离大。,（一）离子松弛极化,1,）强联系离子,：,在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联系离子。,它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化,2),弱联系离子：,在玻璃态物质、结构松散的离于品体中以及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移，称为弱联系离子。,40,只能在结构松散区或缺陷区附近移动，需要越过势垒,U,松,，由于,U,松,U,电导,，所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率。,离子松弛极化与离子电导势垒,U,结点上离子迁移需克服的势垒；,U,填隙离于迁移需克服的势垒,。,3),离子松弛极化的迁移和离子电导的区别,：,离子松弛极化的迁移和离子电导不同,离子电导是离子作远程迁移,离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移,41,设单位体积的介质中弱联系离子总数为,n,0,，则沿轴进行热运动的离子数为,n,0,/3,，沿,x,轴正向热运动的离子数为,n,0,/6,，沿,x,铀负向热运动的离子数也为,n,0,/6,。,4),离子松弛极化,设缺陷区内有两个平衡位置,1,及,2,，当离子热运动超过位垒,U,时，离子就会从,1,转移到,2,，或从,2,转移到,1,。,设单位体积内占有位置,1,和,2,的离子数分别为,n,1,，,n,2,，则,42,n,2,-n,1,=2,n,由,2,到,1,的离子数应为,则,dt,时间内，,n,1,的变化为,式中负号表示对位置,1,来说为减少。,平衡时，设位置,1,离子减少,n,，则位置,2,的离子数增加,n,单位时间内由,1,到,2,的离子数,为离子的固有振动频率,当有外电场,E,作用时，离子从,1,到,2,与从,2,到,l,所克服的势垒不同，分别为（,U,-,U,），（,U,+,U,），这样沿,x,轴正向转移的离子数就会大于沿,x,轴负向转移的离子数。,43,当,U1,在低频电压下，,1,与,2,成正比。,r,=(0)-,/(1+,2,2,),介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关。,外施电压一定时,:,87,1,）当外加电场频率很低，即,0,时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。,介电损耗主要由电导损耗引起，,P,W,和频率无关。,tg=/,，则当,0,时，,tg,。随着,的升高，,tg,减小。,三、介质损耗的影响因素,频率、温度、湿度,1.,频率的影响,88,2,）当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而,r,随,升高而减少。,在这一频率范围内，由于,1,，此时,tg,随,升高而减小。,时，,tg0,。,90,（,1,）当温度很低时,较大,由德拜关系式可知,r,较小，,tg,也较小,2.,温度的影响,在此温度范围内，随温度上升，,减小，,r,、,tg,和,P,W,上升。,温度对松弛极化产生影响，因而,P,，,和,tg,与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，离子间易发生移动，松弛时间常数,减小。,91,(2),当温度较高时，大于,Tm,，,较小，此时,在此温度范围内，随温度上升，,减小，,tg,减小。,P,W,主要决定于极化过程，,P,W,也随温度上升而减小。,92,（,3,）当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，,r,下降。,电导损耗剧烈上升，,tg,也随温度上升急剧上升。,93,介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使,tg,增大。,对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸内水分含量从,4,增加到,10,时，其,tg,可增加,100,倍。,3.,湿度的影响,94,四、压碱效应和双碱效应,（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应,1,、玻璃电导中为什么采用压碱效应和双碱效应？,因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。,2,、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用,减小玻璃电导率,3,、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理,指当玻璃中碱 金属离子总浓度较大时,(,占玻璃组成,25-30%),，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。,A.,双碱效应：,95,R,K+,R,Li+,，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，,Li,+,离子留下的空位比,K,+,留下的空位小，,K,+,只能通过本身的空位；,Li,+,进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；,大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；,相互干扰的结果使电导率大大下降。,以,K,2,O,、,Li,2,O,为例,例,96,指含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。,压碱效应机理,由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。,结论：,一般玻璃相的电导率比晶体相高。因此对介质材料应尽量减少玻璃相的电导。,B.,压碱效应,：,97,（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应,1,、玻璃,损耗,中为什么采用压碱效应和双碱效应？,因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大,2,、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用,减小玻璃损耗,98,两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，在碱性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。,3,、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理,A.,双碱效应：,在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效应特别明显。因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来，减少松弛极化作用，因而使,tg,降低。,B.,压碱效应,99,电介质损耗用作一种电加热手段，即利用高频电场（一般为,0.3,300,兆赫）对电介质损耗大的材料（如木材、纸、陶瓷等）进行加热。,频率高于,300,兆赫时，达到微波波段，即为微波加热（家用微波炉即据此原理）。,五、介电损耗的应用,当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合，应尽量采用介质损耗因数（即电介质损耗角正切,tg,，它是电介质损耗与该电介质无功功率之比）较低的材料。,100,总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围,“,分子,”,，使电磁场能量转变为,“,分子,”,的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。,结论：,101,4,.3,介电击穿,一、介质的击穿,二、击穿类型,热击穿,电击穿,化学击穿,三、改善击穿的措施,本节内容,复习,1,、电介质产生损耗的原因？,2,、表征电介质损耗的复介电常数的表达式及含义是什么？,3,、介质损耗的影响因素。,102,一、介质的击穿,在强电场作用下，电介质,丧失电绝缘能力,，,电介质的电导突然增大甚至引起,结构损坏或破碎,，称为介电击穿。,a.,可用击穿效应来破碎非金属矿石等,b.,击穿是标志电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备，电子元器件最终使用寿命的重要因素。,+,+,_ _ _ _,_ _ _ _,e,e,e,+,_ _ _ _,e,e,e,e,e,e,e,1.,介电击穿,103,3.,介电强度,2.,击穿电压,导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。,电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强,即介电强度,Ec,，,是绝缘性能好坏的一个重要标志。,均匀电场介电强度,:,击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击穿场强，又称介电强度），它反映固体电介质自身的耐电强度。,不均匀电场介电强度,:,击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体电介质的介电强度。,104,在电场作用下，固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿，但因电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力，从而由绝缘状态突变为良导电状态。,（一）固体电介质的热击穿,1,）热击穿的本质,发生在高频、高压下。热击穿的核心问题是散热问题。,二、固体电介质的击穿类型及影响因素,热击穿、电击穿和电化学击穿,105,Q,1,：,单位时间内固体电介质的发热量,Q,2:,单位时间内固体电介质的散热量,E,3,E,c,E,1,2,）热击穿过程,固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗而发热。,A.,外加电场为,E,3,E,c,固体电介质中的发热量,Q,1,大于散热量,Q,2,，介质温度上升，且因,Q,1,始终大于,Q,2,，所以固体电介质的温度不断上升，最终介质被,烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝缘性能,，发生热击穿。,106,B.,外加电场为,E,1,Q,2,，固体电介质温度上升；但当温度度升到,Tc,时，发热量与散热量 相等，建立起了热平衡。此时，若介质能耐受温度,T,c,的作用，则固体电介质能正常工作，不会发生热击穿。,C.,外加电压为等于,E,c,当介质温度升到,T,c,时，建立起了热平衡，但不稳定。温度略有升高，发热量,Q,1,即大于散热量,Q,2,，最终仍然发生热击穿。电场强度,E,c,是发生热击穿的临界场强,E,c,。,介质中发热与散热平衡关系示意图,107,A,，,B,是与材料有关的常数。,(1),热击穿电压随,环境温度,升高而降低。,(2),热击穿电压大致不随介质的厚度变化。,1,）温度不均匀的厚膜介质,2.,温度均匀薄膜介质,e,为自然对数的底，,U,c,随试样厚度的平方根而变化。,3,）热击穿电压,108,电击穿是介质在强电场作用下,被击发出,自由电子,而引起,电介质中存在的,少量传导电子,在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生,碰撞电离,，形成电子雪崩现象。结果,电导急剧上升,，最后导致击穿。,（二）固体介质的电击穿,电击穿 取决于固体电介质中碰撞电离的一种击穿形式。电场使电介质中积聚起,足够数量和足够能量的自由电子,，导致电介质丧失绝缘性能。,1,）电击穿的本质,E,e,e,e,e,e,e,e,109,1),外加电场为,E,2,E,c,一部分传导电子的能量处于,W,2,W,c,之间，单位时间内这些电子取得的能量,A,始终大于失去的能量,B,，电子被加速，碰撞晶格时产生电离，使处于,导带的电子不断增加,，电流急剧上升，最终导致固体电介质击穿。,2),外加电场为,E,1,B,而使晶格发生碰撞电离、产生新的传导电子；但因电子能量大于,W,1,的概率很低,所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体电介质不会击穿。,A,、,B,与,W,的关系,E,2,E,c,E,1,晶格温度,T,为定值,介电强度,:,处于临界状态的,E,c,即为固体电介质的,介电强度,A:,单位时间内这些电子取得的能量,B:,单位时间内传导电子失去的能量,E:,电场强度,W:,电子本身能量,T:,晶格温度,2,）电击穿的过程,110,3,）击穿场强,多发生在温度较低、电压作用时间较短时，纯净、均匀固体电介质中。,当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。把这一,起始场强,作为介质电击穿场强的理论即为,本征击穿理论,.,A.,本征电击穿理论,本征电击穿场强，随温度升高而降低。,温度,111,1,）“雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到,一定数值,（足以破坏介质绝缘状态）作为电击穿判据。,2,）,Seitz,提出以电子“崩”传递给介质的能量足以破坏介质晶体结构作为击穿判据。,B.“,雪崩”电击穿理论,电击穿判据：,本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破坏后突然发生的，而“雪崩”击穿是考虑到高场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度，最终介质晶格破坏。,“,雪崩,”,电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别,：,112,“,四十代理论”,从阴极出发的电子，一方面进行“雪崩”倍增；另一方面向阳极运动。,由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，,1cm,内的电离次数达到,40,次，介质便击穿。一般用来说明“雪崩”击穿的形成，并称之为“四十代理论”。,由“四十代理论”可以推断，当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四十代，电子崩已进入阳极复合，此时介质不能击穿，即这时的介质击穿场强将要提高。,113,在电场、温度等因素作用下，固体电介质因缓慢的化学变化，而引起其电气性能逐渐劣化，最终由绝缘状态突变为良导体状态的过程。,（三）电化学击穿,包括两部分：因固体电介质发生化学变化而引起的电介质老化；,与老化有关的击穿过程。,2,）电化学击穿过程,1,）电化学击穿本质,电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。,114,1,）直流电压下，固体电介质因离子电导而,发生电解,，结果在电极附近形成导电的金属树状物，甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路,2,）在电场作用下，固体电介质内部的气泡中，或不同固体电介质之间的气隙或油隙中，会发生,局部放电，,造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。,化学老化击穿过程,与离子电导陶瓷的电化学老化的异同？,温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。,温度,E,e,e,e,115,(1),阳离子,-,阳离子电导,参加导电的为阳离子。同时电极的,Ag,+,也能参与漏导。最后两种离子在阴极处都被电子中和，形成新物质。,(2),阴离子,-,阳离子电导,参加导电的既有正离子，也有负离子。它们分别在阴极、阳极被中和，形成新物质。,离子陶瓷材料的电化学老化现象,指在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。,电化学老化的原因,离子在电极附近发生氧化还原过程,Ag,+,+,e,Ag,2Cl,-,-2e,Cl,2,116,(3),电子,-,阳离于电导,参加导电的为一种阳离子，还有电子。例如含钛陶瓷，阳离子,Ti,4+,发生电还原过程,Ti,4+,+e Ti,3+,(4),电子,-,阴离子电导,参加导电的为一种阴离子，还有电子。例如,TiO,2,在高温下发生缺氧过程，在高温下，氧离子在阳极放出氧气和电子，在阴极,Ti,4+,被还原成,Ti,3+,阴极,4 Ti,4+,+4e 4 Ti,3+,阳极,2O,2-,O,2,+4e,介质中的离子至少有一种参加电导。如果电导纯属电子，则电化学者化不可能发生。,电化学老化的必要条件,117,同一种电介质中发生何种形式的击穿，取决于不同的外界因素。随着击穿过程中固固体电介质内部的变化，击穿过程可以从一种形式转为另一种形式。,三、影响击穿的因素,温度,118,根据固体电介质的击穿形式及影响击穿电压的因素，提高固体电介质击穿电压的主要措施有：,改善电场电场分布，如电极边缘的固体电介质表面涂半导电漆；,调整多层绝缘中各层电介质所承受的电压；,对多孔性、纤维性材料晶干燥后浸油、浸漆。以防止吸潮，提高局部放电起始电压；,加强冷却，提高热击穿电压；,改善环境条件，防止高温，避免潮气,臭氧等有害物质的侵蚀。,四、提高击穿电压措施,119,一、铁电体，铁电体的特点,二、铁电体的居里外斯定律,三、铁电性的特点,本节内容：,复习：,1,、介电击穿的类型,2,、影响介电击穿的因素,P,E,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,4.4,铁电性,120,1,）铁电体是非线性介质,即,极化强度,和,外施电压,的关系是非线性的。,一、铁电体,没有外加电场时，介质的极化强度等于零。有外电场时，介质的极化强度与宏观电场,E,成正比。,备注：,线性介质,是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。,1,、铁电体的特点,121,即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。,2,）铁电体是极性晶体,注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体,122,Ba,2+,Ti,4+,O,-,3,）铁电体的极化是自发极化,第二类是,有序,无序型,，其自发极化同个别离子的有序化相联系；,典型的有序,无序型晶体是含有氢键的晶体，这类晶体中质子的有序化运动引起自发极化，例如,KH,2,PO,4,晶体，该晶体具有铁电体的特征。,A.,按相转变的自发极化机构,铁电体,分两类：,第一类是,位移型,，其自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系。,位移型,铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体。,123,铁电体,124,例,1,：由位移引起的自发极化,自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。,钛酸钡的结构：钙钛矿型结构,Ba,2+,Ti,4+,O,-,其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。,B.,铁电体的自发极化的机制,125,极化前晶体结构：,等轴晶系（大于,120,o,C,）：,晶胞常数：,a=4.01A,氧离子的半径：,1.32A,钛离子的半径：,0.64,钛离子处于氧八面体中，,两个氧离子间的空隙为：,4.01,2 1.32=1.37,钛离子的直径：,2 0.64=1.28,钛酸钡的结构：钙钛矿型结构,自发极化过程：,氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。,较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。,Ba,2+,Ti,4+,O,-,126,温度降低到,120,，低于距离温度，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。,Ba,2+,Ti,4+,O,-,127,-,-,+,+,+,-,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,+,+,+,+,极化轴,C,-,+,+,-,-,+,纤锌矿,(ZnS),结构在（,010,）上投影,表示晶体极性链的两种方法,例,2,：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构,+,-,+,-,固有偶极子,正电荷层与负电荷层交替排列,-,+,-,+,-,+,-,+,128,4,）铁电体具有,铁电性,在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化。,晶体的这种性质叫,铁电性,（,ferroelectricity,）。,当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴，并出现,铁电性,；,相间反向排列而成为,反铁电性,。,与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为铁电体,(,其实晶体中并不含有铁,),129,在自发极化出现前的非极性晶体称为,顺电性晶体,。,顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为,铁电居里点,T,C,。,当,TT,C,时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时,P,与,E,一般有线性关系,P=,0,E,，并且介电常数服从居里外斯定律,C,为居里常数，,为特征温度。,代表电子位移极化对介电常数的贡献,二、铁电体的居里外斯定律,居里点附近居里外斯定律为,忽略,130,指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质,电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居里点、居里外斯定律等。,（一）铁电性几个重要特征,1,、铁电畴,铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为,铁电畴,(ferroelectric domains),。,两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互成,90,，则其畴壁叫,90,畴壁。此外，还有,180,畴壁等。,三、铁电体的铁电性,180,和,90,畴,1,）,铁电畴的形成,131,与晶体结构有关。,BaTiO,的铁电相晶体结构有四方、斜方、菱形三种晶系，它们的自发极化方向分别沿,001,，,011,，,111,方向，这样，除了,90,和,180,畴壁外，在斜方晶系中还有,60,和,120,畴壁，在菱形晶系中还有,71,，,109,畴壁。,2,）电畴取向,132,无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。,外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。,如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。,3,）电畴运动,-,极化过程,电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。,133,铁电电滞回线,(,P,s,为自发极化强度，,E,c,为矫顽力）,电滞回线是铁电态的一个标志,铁电体是电介质材料中一个很重要的分支，它是一种特殊相变的产物。,在从高对称性转变为低对称性的过程中，伴随着发生自发极化或亚点阵极化。,1,）电滞回线的形成,铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。,2,、铁电体的电滞回线,铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的,宏观描述,。,P,E,O,A,B,E,C,P,r,C,P,s,134,沿电场方向的电畴扩展，变大；而与电场反平行