介电极化(材料物理性能)-PPT.ppt

ChengduUniversityofTechnology21.1.掌握电介质极化的形式和特点；掌握电介质极化的形式和特点；2.2.了解复介电常数的意义和介质损耗的形式；了解复介电常数的意义和介质损耗的形式；3.3.掌握提高介质材料介电强度的方法。掌握提高介质材料介电强度的方法。一、介质的极化一、介质的极化二、介质的损耗二、介质的损耗三、介电强度三、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。要求要求 本章内容本章内容第第4 4章章 材料的介电性能材料的介电性能341.1.电介质电介质：通常通常10109 9 m m，从电场这一从电场这一角度看，电介质就是绝缘体角度看，电介质就是绝缘体 2.2.极化现象：极化现象：概述在电场作用下，能建立极化的一切物质。在电场作用下，能建立极化的一切物质。导体：导体：10-5 m半导体：半导体：10-5 m 109 m 将电介质放入电场，表面出现电荷。这种在将电介质放入电场，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电介质的极化。所产生的电荷称之为“感应电感应电荷荷”。只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。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负极板附近的介质表面上感应出正电荷+-E3 3、电介质内部的总场强、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。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！介质内部的总场强不为零！63.3.电介质的结构电介质的结构电介质的主要特征电介质的主要特征:质点中电子被原子核束缚得很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。够脱离所属原子作宏观运动。-+H2+-TiO-O-TiO2-+71）真空平行板电容器C0A为面积，d为板极间距，0真空介电常数0=8.8510-12 Fm(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4.4.电容电容2)嵌入电介质的电容器C8物质真空空气玻璃水纸云母钛酸钡11510783.53.77.5103104电介质对电容器的的影响电介质对电容器的的影响（1 1）可以使电容）可以使电容 C C 增加；增加；C=CC=C0 0 其中其中 C C0 0是电容器极板间为真空时的是电容器极板间为真空时的电容。电容。（2 2）极板间其间充满均匀的电介质可以）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（与空增加电容器的耐压能力（与空气相比）。气相比）。物质空气云母玻璃纸钛酸钡介电强度（KV/mm）3802005131640310394.1介质的极化 一、极化及极化参数一、极化及极化参数二、克劳修斯二、克劳修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程三、介质的极化三、介质的极化掌握介质的极化现象及其物理量；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），驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化），要求要求:分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。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，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。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电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化1.1.极化极化非极性介质极化过程：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。心发生相对位移。3）介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷介质内质点（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。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）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，它们荷和负电荷，它们是和介质分子连在一起的，不能在电介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。缚电荷或极化电荷。4 4）每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列；）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。的这种现象，称为电介质的极化。5 5）在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现）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。正、负电荷，为束缚电荷或极化电荷。束缚电荷或极化电荷束缚电荷或极化电荷123 3）当有外电场）当有外电场 时，每个偶极子受到力偶矩作用，时，每个偶极子受到力偶矩作用，各个各个偶极子方向趋向一致，要转向外电场的方向偶极子方向趋向一致，要转向外电场的方向 。极性介质极化过程极性介质极化过程4 4）在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。）在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。1 1）介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重）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；合，存在一定距离，自身形成一个偶极子；2 2）无外加电场时，各个偶极子方向随机排列，）无外加电场时，各个偶极子方向随机排列，杂乱无序；杂乱无序；5 5）如果撤去外电场，由于分子热运动，偶极子的排列又将）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，电介质又恢复电变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性状态。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。程移动，组成一个偶极子。l l -q-q+q+qE E偶极子偶极子2.2.极化物理量极化物理量(1(1）电偶极矩）电偶极矩 ：=ql ql（单位：库仑（单位：库仑 米）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电偶极矩电偶极矩 质点的极化率质点的极化率：=/Eloc，表征材料的极化能力表征材料的极化能力局部电场局部电场E Elocloc ：作用在微观质点上的局部电场：作用在微观质点上的局部电场14（2 2）外电场对点偶极子的作用）外电场对点偶极子的作用在外电场在外电场E的作用下一个点电偶极子的作用下一个点电偶极子p的位能的位能: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。最低，而反向时能量为最高。U=-p E力力f使电偶极矩向电力线密集处平移，力矩使电偶极矩向电力线密集处平移，力矩M使电偶极矩朝外电使电偶极矩朝外电场方向旋转。场方向旋转。点电偶极子所受外电场的作用力点电偶极子所受外电场的作用力f和作用力矩和作用力矩M分别分别:f=pE；M=p E15（1 1）介质的极化强度）介质的极化强度P P：P=P=/V/V单位介质体积内的电偶极矩总和单位介质体积内的电偶极矩总和 电介质极化系数电介质极化系数P P与宏观平均电场与宏观平均电场E E成正比成正比,2.2极化强度极化强度P PP=P=(0 0)E=E=0 0(r r-1)1)E E ,可以得出电介质的相对可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率介电常数与相对电极化率 有以下关系有以下关系:极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量，其单位为极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量，其单位为C/mC/m2 2。（2 2）介质的极化强度与宏观可测量之间的关系）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场强成正比 r r=1 1+16二、克劳修斯二、克劳修斯-莫索蒂方程：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。局部电场与宏观电场有关。宏观电场宏观电场E E 平行板两端的实际电场强度为外加电场平行板两端的实际电场强度为外加电场E E外外与退极化场与退极化场E E1 1之和。即之和。即E=EE=E外外+E+E1 1,这一电场为宏观电场。这一电场为宏观电场。原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc也叫有效电场。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晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场E E外外与晶体内部内部其它原子与晶体内部内部其它原子偶极子所产生的电场之和偶极子所产生的电场之和,即即E Elocloc=E E外外+E E总总。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构成物体的所有质点电荷的电场之和E E1 1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）1.1.宏观电场：宏观电场：外加电场外加电场E E外外E E1 1+退极化场退极化场E E1 1外加电场外加电场E E外外(物体外部固定电荷所产生。物体外部固定电荷所产生。即极板上的所有电荷所即极板上的所有电荷所产生）产生）E E宏宏=E=E外外+E+E1 118退极化场退极化场E E1 12 2原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc1 1）局部电场）局部电场晶体中其它原子所产晶体中其它原子所产生的电场生的电场E E总外加电场外加电场E E外外晶体中原子上的内电场晶体中原子上的内电场球外介质球外介质的作用：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：的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场：E E总总=E E1 1+E+E2 2+E+E3 3洛伦兹场洛伦兹场E E2 2：空球表面极化空球表面极化电荷作用场电荷作用场(E E2 2)称为洛伦兹场称为洛伦兹场E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定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空腔内其他偶极子的场E E3 3 ：晶体中其它原子所产生的电场晶体中其它原子所产生的电场E E总19由由 P=P=Q Q1 1/A=/A=o oE E1 1得：得：E E1 1=P P/o o 退极化场退极化场E E1 1：对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：外加电场外加电场E E外外E E1 1+2 2）局部电场）局部电场E Elocloc为了方便，可将其他原子偶极子场进行分解，并对其求和。为了方便，可将其他原子偶极子场进行分解，并对其求和。20洛伦兹场洛伦兹场E E2 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的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场E E2 2。可根据库仑定律。可根据库仑定律以以 表示相对于极化方向的夹角，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处空腔表面上的面电荷密度就是-P Pcoscos，取，取dd角对应的微小环球面，其表面积角对应的微小环球面，其表面积d dS S为：为：21dqdq在空腔球心在空腔球心O O点产生的电场点产生的电场dSdS面上的电荷：面上的电荷：整个空腔球面上的电荷在整个空腔球面上的电荷在O O点产生的洛伦兹场点产生的洛伦兹场E E2 2:22 E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决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，定，具有对称中心及立方对称环境结构的晶体，E E3 3=0=0。得局部电场（洛伦兹关系）得局部电场（洛伦兹关系）:空腔内其他偶极子的场空腔内其他偶极子的场E E3 3233 3克劳修斯克劳修斯莫索蒂方程莫索蒂方程克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程：莫索蒂方程：由P=0（r-1）E，及P=nEloc24（r1）/（r+2）=n/（3o）（r1）/（r+2）-r越大其值越大克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程的意义：莫索蒂方程的意义：建立了可测物理量建立了可测物理量 r r （宏观量）与质点极化率（宏观量）与质点极化率（微观量）之间的关系（微观量）之间的关系克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围：莫索蒂方程的适用范围：由于在推导克劳修斯由于在推导克劳修斯-莫索蒂方程上时，假设莫索蒂方程上时，假设E E3 3=0=0，适用于分子间作用，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高介电常数质点的 r r 和和 ：从克劳修斯从克劳修斯-莫索蒂方程可知，为了获得高介电常数的介质，莫索蒂方程可知，为了获得高介电常数的介质，需要选择大需要选择大 的离子，极化介质中极化质点数的离子，极化介质中极化质点数n n要多，即单位体积的极化质点数要多要多，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。间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。三、介质的极化三、介质的极化1.1.介质极化种类介质极化种类：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2.2.极化基本形式：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。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电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型2627四、位移极化四、位移极化（一）电子位移极化（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中心的移动而形成的极化现象叫做叫电子位移极化。子位移极化。位移极化位移极化位移极化主要是由电子的移动造成的。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。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，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非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。出现极化电荷。28一个质量为一个质量为m，带电为，带电为-e的粒子，为一带的粒子，为一带正电正电+e的中心所束缚，弹性恢复力为的中心所束缚，弹性恢复力为-kx。则在电场作用下的运动方程为：则在电场作用下的运动方程为：表示表示x对时间对时间t的二阶导数。的二阶导数。k是弹性恢复系数，是弹性恢复系数，x表示粒子的位移表示粒子的位移1.1.电子位移极化的经典理论电子位移极化的经典理论1)1)电偶极矩电偶极矩 电荷电荷-e e的运动方程的运动方程29电偶极矩电偶极矩 电荷的相对位移电荷的相对位移x x弹性偶极子的弹性偶极子的固有振动频率固有振动频率30静态极化率静态极化率令令00，得静态极化率，得静态极化率2 2）极化率）极化率 电子极化率依赖于频率电子极化率依赖于频率31 电荷电荷(-e)(-e)环绕以电荷环绕以电荷+q+q为圆为圆心的圆周轨道运行。垂直于轨道心的圆周轨道运行。垂直于轨道平面的电场平面的电场E Elocloc使使+q q沿轴线从轨沿轴线从轨道中心移至道中心移至MM点，则原子感生偶点，则原子感生偶极矩为极矩为=eded，d d=OMOM。3 3）玻尔原子模型估算）玻尔原子模型估算 e e32核与电子吸引力核与电子吸引力e e2 2/4/4 0 0R R2 2和和F FR R之间平衡之间平衡而形成稳定的轨道，因此有而形成稳定的轨道，因此有根据三角形几何关系根据三角形几何关系:F FR R为沿轨道运行的电子的离心力为沿轨道运行的电子的离心力33电偶极矩电偶极矩 和极化率和极化率 e 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较低，则在电场方向上平均感生偶极矩为=cos2=1/3电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子(离离子子)半径有关半径有关平均感生偶极矩平均感生偶极矩34 离子的极化率和半径离子的极化率和半径 离子离子极化极化率率 (3 3)半半 径径 R(R()离子离子极化极化率率 (3 3)半半 径径 R(R()离子离子极化极化率率 (3 3)半半 径径 R(R()LiLi+0.0310.0310.600.60B B3+3+0.0030.0030.200.20F F1.041.041.361.36NaNa+0.1790.1790.950.95AlAl3+3+0.0520.0520.500.50ClCl3.663.661.811.81K K+0.830.831.331.33ScSc3+3+0.2860.2860.810.81BrBr4.774.771.951.95RbRb+1.401.401.491.49Y Y3+3+0.550.550.930.93I I7.107.102.162.16CsCs+2.422.421.691.69LaLa3+3+1.041.041.041.04O O2 23.883.881.401.40BeBe2+2+0.0080.0080.310.31C C4+4+0.00130.00130.150.15S S2 210.210.21.841.84MgMg2+2+0.0940.0940.650.65Si Si4+4+0.01650.01650.410.41SeSe2 210.510.51.981.98CaCa2+2+0.470.470.990.99TiTi4+4+0.1850.1850.680.68TeTe2 214.014.02.212.21SrSr2+2+0.860.861.131.13CeCe4+4+0.730.731.011.01 BaBa2+2+1.551.551.351.35 35在电场中离子的位移，受到弹性恢复力的在电场中离子的位移，受到弹性恢复力的限制。限制。设离子位移设离子位移+，负离子位移，负离子位移-，+和和-符号符号相反。相反。（二）离子位移极化（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。离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。感生的电偶极矩感生的电偶极矩：在交变电场作用下，离子在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹在电场中的运动设想为弹簧振子。簧振子。362)2)运动方程运动方程约化质量约化质量正离子受到弹性恢复力：正离子受到弹性恢复力：-k(k(+-)负离子受到弹性恢复力：负离子受到弹性恢复力：-k(-k(-+)1)1)弹性恢复力：弹性恢复力：运动的牛顿定律：运动的牛顿定律：相对振动的固有频率相对振动的固有频率373)3)正负离子的相对位移：正负离子的相对位移：4)4)离子位移极化率离子位移极化率静态极化率静态极化率令令00，可得静态极化率，可得静态极化率离子位移极化建立的时间约为离子位移极化建立的时间约为1010-12-12-10-10-13-13秒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。化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。五、松弛极化五、松弛极化松弛质点：松弛质点：松弛质点由于热运动使之分布混乱，松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。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：松弛极化的特点：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。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。这种迁移的行程比弹性位移距离大。（一）离子松弛极化（一）离子松弛极化1 1）强联系离子）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。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它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化2)2)弱联系离子：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，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。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，需要越过势垒只能在结构松散区或缺陷区附近移动，需要越过势垒U U松松，由于，由于U U松松U U电导电导，所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率。，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离子松弛极化与离子电导势垒 U U结点上离子迁移需克服的势垒；结点上离子迁移需克服的势垒；U U填隙离于迁移需克服的势垒填隙离于迁移需克服的势垒。3)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的区别：离子松弛极化的迁离子松弛极化的迁移和离子电导不同移和离子电导不同离子电导是离子作远程迁移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设单位体积的介质中弱联系离子总数为离子总数为n n0 0，则沿轴进行，则沿轴进行热运动的离子数为热运动的离子数为n n0 0/3/3，沿，沿x x轴正向热运动的离子数为轴正向热运动的离子数为n n0 0 /6/6，沿，沿x x铀负向热运动的离子铀负向热运动的离子数也为数也为n n0 0/6 /6。4)4)离子松弛极化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设单位体积内占有位置1 1和和2 2的离子数分别为的离子数分别为n n1 1，n n2 2，则，则42n n2 2-n-n1 1=2=2 n n由由2 2到到1 1的离子数应为的离子数应为则则dt dt时间内，时间内，n n1 1的变化为的变化为式中负号表示对位置式中负号表示对位置1 1来说为减少。来说为减少。平衡时，设位置平衡时，设位置1 1离子减少离子减少n n，则位置，则位置2 2的离子数增加的离子数增加n n 单位时间内由单位时间内由1 1到到2 2的离子数的离子数 为离子的固有振动频率为离子的固有振动频率 当有外电场当有外电场E E作用时，离子从作用时，离子从1 1到到2 2与从与从2 2到到l l所克服的势垒不同，分别为所克服的势垒不同，分别为（U U-U U），（），（U U+U U），这样沿），这样沿x x轴正向转移的离子数就会大于沿轴正向转移的离子数就会大于沿x x轴负向转移的离子数。轴负向转移的离子数。43当U1,在低频电压下，在低频电压下，1,与与2成正比。成正比。r=(0)-/(1+22)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。外施电压一定时外施电压一定时:871）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，PW和频率无关。tg=/，则当0时，tg。随着的升高，tg减小。三、三、介质损耗的影响因素介质损耗的影响因素频率、温度、湿度频率、温度、湿度1.1.频率的影响频率的影响882）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2.2.温度的影响温度的影响在此温度范围内，随温度上升，减小，r、tg和PW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。PW主要决定于极化过程，PW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。3.3.湿度的影响湿度的影响94四、压碱效应和双碱效应四、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（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应1 1、玻璃电导中为什、玻璃电导中为什么采用压碱效应和双么采用压碱效应和双碱效应？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。长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。2 2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃减小玻璃电导率电导率3 3、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理 指当玻璃中碱指当玻璃中碱 金属离子总浓度较大时金属离子总浓度较大时(占玻璃组成占玻璃组成25-30%)25-30%)，碱，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。属离子的玻璃电导率要小。A.A.双碱效应：双碱效应：95R 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K2O、Li2O为例例例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：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。量减少玻璃相的电导。B.B.压碱效应压碱效应：97（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应1 1、玻璃、玻璃损耗损耗中为什中为什么采用压碱效应和么采用压碱效应和双碱效应？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，使总的损耗增大能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大2 2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃减小玻璃损耗损耗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。位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。3 3、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理A.双碱效应：双碱效应：在在含含碱碱玻玻璃璃中中加加入入二二价价金金属属氧氧化化物物，特特别别是是重重金金属属氧氧化化物物时时，压压抑抑效效应应特特别别明明显显。因因为为二二价价离离子子有有二二个个键键能能使使松松弛弛的的碱碱玻玻璃璃的的结结构构网网巩巩固固起来，减少松弛极化作用，因而使起来，减少松弛极化作用，因而使tgtg降低。降低。B.B.压碱效应压碱效应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0.3300兆赫）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，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量部分地传给周围“分子分子”，使电磁场能量转变为，使电磁场能量转变为“分分子子”的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。结论：结论：1014.3 介电击穿介电击穿 一、介质的击穿一、介质的击穿二、击穿类型二、击穿类型热击穿热击穿电击穿电击穿化学击穿化学击穿三、改善击穿的措施三、改善击穿的措施本节内容本节内容复习复习 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、介质的击穿一、介质的击穿在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力，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。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。+_eee+_eeeeeee1.1.介电击穿介电击穿1033.3.介电强度介电强度2.2.击穿电压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。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在在电电场场作作用用下下，固固体体电电介介质质承承受受的的电电场场强强度度虽虽不不足足以以发发生生电电击击穿穿，但但因因电电介介质质内内部部热热量量积积累累、温温度度过过高高而而导导致致失失去去绝绝缘缘能能力力，从从而而由由绝绝缘缘状状态态突突变变为为良良导电状态。导电状态。（一）（一）固体电介质的热击穿固体电介质的热击穿1 1）热击穿的本质）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105Q1：单位时间内固体电介质的发热量Q2:单位时间内固体电介质的散热量E3 Ec E12 2）热击穿过程）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.A.外加电场为外加电场为E E3 3 E Ec c 固体电介质中的发热量固体电介质中的发热量Q Q1 1大于大于散热量散热量Q Q2 2 ，介质温度上升，且，介质温度上升，且因因Q Q1 1 始终大于始终大于Q Q2 2，所以固体电，所以固体电介质的温度不断上升，最终介质介质的温度不断上升，最终介质被烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝被烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝缘性能，发生热击穿。缘性能，发生热击穿。106B.B.外加电场为外加电场为E E1 1 Q Q2 2 ，固固体体电电介介质质温温度度上上升升；但但当当温温度度度度升升到到TcTc时时，发发热热量量与与散散热热量量 相相等等，建建立立起起了了热热平平衡衡。此此时时，若若介介质质能能耐耐受受温温度度T Tc c的的作作用用，则则固固体体电电介介质质能能正正常常工工作作，不不会会发发生热击穿。生热击穿。C.外加电压为等于外加电压为等于Ec当当介介质质温温度度升升到到Tc时时，建建立立起起了了热热平平衡衡，但但不不稳稳定定。温温度度略略有有升升高高，发发热热量量Q1即即大大于于散散热热量量Q2，最最终终仍仍然然发发生生热热击击穿穿。电电场场强强度度Ec是是发发生生热击穿的临界场强热击穿的临界场强Ec。介质中发热与散热平衡关系示意图107A，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，Uc随试样厚度的平方根而变化。3 3）热击穿电压）热击穿电压108电击穿是介质在强