电介质及其介电特性-基本介电现象.ppt

1电介质的基本电介质的基本介电现象介电现象21.1.电电介介质质在在电场电场作用下的主要特性作用下的主要特性 电导、极化、损耗、击穿2.2.电电介介质质的功能特性的功能特性 电机械、电热、电光 电压敏、PTC主要内容：主要内容：电介介质的基本介的基本介电现象象31.电介质在电场作用下的主要特性电介质：电介质：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。存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。电力线能透过的物质（法拉第电力线能透过的物质（法拉第18391839年）。年）。电介质物理：电介质物理：是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科 学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现 象以及由此产生的各种效应。象以及由此产生的各种效应。主要特性：主要特性：电介质在电场作用下最主要的电特性是电介质在电场作用下最主要的电特性是极化极化和和电导电导，以及在此基础上，以及在此基础上产生的产生的损耗损耗与与击穿击穿现象。现象。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性41.1 介质电导定定义义：电电介介质质电电导导是是电电介介质质中中存存在在的的少少量量载载流流子子，贯贯穿穿整整个个介介质质而而构构成成“漏漏泄泄电电流流”的物理现象。的物理现象。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性特点：特点：在直流电压作用下有在直流电压作用下有较稳定的电流通过。较稳定的电流通过。表征：表征：用用电阻率电阻率v v或电导或电导率率来表征材料的电导特性。来表征材料的电导特性。5在在电电介介质质截截面面积积为为S、厚厚度度为为L的的平平板板型型材材料料的情况下，则有：的情况下，则有：电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性由此可得：由此可得：R电阻，单位为欧姆（电阻，单位为欧姆（）；）；G电导，（电导，（S）v体电阻率，（体电阻率，（m）；）；体电导率，（体电导率，（S/m）U电压（电压（V）；）；E电场强度（电场强度（V/m)V/m)；j电流密度，电流密度，(A/m2)6电电导导特特性性是是任任何何一一种种材材料料（无无论论导导体体、半半导导体体、还还是是电电介介质质）都都具具有有的的电电学学性性质质，并并非非电电介介质质所所特特有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：例如：一般导体例如：一般导体=109（S/m）绝缘性能良好的电介质绝缘性能良好的电介质=10-18（S/m）相差相差1027倍。倍。导导电电机机理理有有明明显显区区别别，因因此此对对电电介介质质电电导导需需作作专门的讨论。专门的讨论。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性为什么？为什么？71.2 介质极化定义：定义：极化是电介质中束缚在分极化是电介质中束缚在分子内部或局部空间不能完全自由子内部或局部空间不能完全自由运动的电荷，在电场作用下产生运动的电荷，在电场作用下产生局部的迁移而形成感应偶极矩的局部的迁移而形成感应偶极矩的物理现象。物理现象。是电介质特有的性质。是电介质特有的性质。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性电介质：电介质：在电场作用下能产生极化现象的材料。在电场作用下能产生极化现象的材料。表征：表征：单位体积电介质中形成的总感应电矩单位体积电介质中形成的总感应电矩极化强度。极化强度。在线性介质中：在线性介质中：x介质极化系数，介质极化系数，0真空介电常数，真空介电常数，8.85410-12F/m 8电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性在在工工程程技技术术中中，通通常常采采用用比比电电容容率率（或或相相对对介介电电常常数数）来来作作为为介介质质极极化化的的量量度。度。比比电电容容率率是是以以介介质质充充入入真真空空电电容容器器后后，此此电电容容器器的的电电容容量量（C C）与与原原真真空空电电容容器的电容量（器的电容量（C C0 0）之比来计量。）之比来计量。r相对介电常数，它与相对介电常数，它与 0的乘积的乘积，定义为，定义为介质的介电常数介质的介电常数由电工学可得：由电工学可得：9 体电阻率（体电阻率（v v）和相对介电常数（）和相对介电常数（r r）是表征）是表征材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改变；在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度变；在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度有关。有关。因此：因此：r r 为为温度、电场频率、电场强度的函数；温度、电场频率、电场强度的函数；v v 则为温度、电场强度的函数。则为温度、电场强度的函数。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性101.3 介质损耗 在交变电压下，由于极化，使介质中在交变电压下，由于极化，使介质中存在电容存在电容电流和电导电流。电流和电导电流。对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数介质损耗角正切介质损耗角正切tantan。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性11 Pr电容介质损耗有功功率，电容介质损耗有功功率，Pc电容无功功率。电容无功功率。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性定义：定义：只有电导电流损耗时，只有电导电流损耗时，tantan 与与 成倒数关系。成倒数关系。极性介质的极性介质的tantan 与与 是有峰值的曲线关系，极性介质的是有峰值的曲线关系，极性介质的tantan 值比非值比非极性介质的极性介质的tantan 值大；而且值大；而且tantan 随随 的变化呈非倒数式关系，这是由的变化呈非倒数式关系，这是由于介质极化滞后所形成的损耗而引起。于介质极化滞后所形成的损耗而引起。因此，研究介质损耗的重点就是研究介质极因此，研究介质损耗的重点就是研究介质极化形成的动态过程中产生的损耗。化形成的动态过程中产生的损耗。121.4 介质击穿 在在高高场场强强下下介介质质的的电电导导电电流流将将会会成成指指数数式式激激烈烈上上升升，导导致致介介质质进进入入高高导导电电的的非非平平衡衡状状态态电介质击穿现象。电介质击穿现象。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性主要判据：主要判据：13在均匀电场下：如介质厚度在均匀电场下：如介质厚度d d，介质击穿电压，介质击穿电压U UB B电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性E EB B 介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的 重要物理参数，它与温度、电场形式有关。重要物理参数，它与温度、电场形式有关。14q r r，v v，tantan 和和E EB B 作为描述绝缘介质基本作为描述绝缘介质基本特性的四大物理参数。特性的四大物理参数。q 研究四大参数与电介质材料的组成、结构、研究四大参数与电介质材料的组成、结构、含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频率、波形等）的影响。率、波形等）的影响。q 研究成果广泛用于工程领域研究成果广泛用于工程领域成为成为“电介电介质工程质工程”。电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性15电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性电容器的电储能密度电容器的电储能密度W与与 和和E2呈正比呈正比提高储能密度可采用高提高储能密度可采用高和高和高E E的电介质材料的电介质材料推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展而而提提高高介介质质的的耐耐电电强强度度则则是是作作为为电电介介质质绝绝缘缘材材料料的一个最主要的共性问题。的一个最主要的共性问题。高功率脉冲电容储能技术高功率脉冲电容储能技术为为例：例：16电介介质在在电场作用下的主要特性作用下的主要特性涉及的科学与技术问题：涉及的科学与技术问题：高储能介质的介电性能高储能介质的介电性能极化、弛豫机理极化、弛豫机理高耐电强度高耐电强度高介电常数介质的击穿特性高介电常数介质的击穿特性结构优化结构优化提高电容器有效储能体积提高电容器有效储能体积放电特性放电特性快速、大容量、消除电感快速、大容量、消除电感高可靠性高可靠性稳定性与寿命稳定性与寿命性能评价性能评价测、试、分析技术测、试、分析技术17电介介质的功能特性的功能特性2.2.电介质的功能特性电介质的功能特性q 电电介介质质除除了了具具有有上上述述纯纯粹粹的的电电学学特特性性之之外外，在在其其电电性性和和力力学学性性能能、热热学学性性能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。q 如如：介介质质在在电电场场作作用用下下的的电电致致伸伸缩缩效效应应、电电压压敏敏效效应应、场场致致发发光光效效应应和和电电热效应等，反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的功能效应。热效应等，反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的功能效应。q 而而：介介质质在在力力场场作作用用下下发发生生的的压压电电效效应应、在在热热场场作作用用下下产产生生的的热热释释电电效效应应、在在光光照照下下引引起起的的光光电电效效应应、导导电电性性突突变变的的PTC效效应应等等，则则为为相相反反的的功功能能转转换换特特性。性。q 这这些些特特性性的的物物理理本本质质亦亦往往往往与与介介质质的的电电导导和和极极化化现现象象有有关关。因因此此，对对介介质质的介电和功能特性要有全面的了解。的介电和功能特性要有全面的了解。18电介介质的功能特性的功能特性2.1 电-机械特性 当当介介质质分分子子在在电电场场作作用用下下发发生生弹弹性性位位移移极极化化时时，介介质质会会在在电电场场的的方方向向有有一一定定的的伸伸长长。产生机械变形产生机械变形X X，与电场强度的平方成正比：，与电场强度的平方成正比：所有电介质都存在的一种电所有电介质都存在的一种电-机械效应。机械效应。与电场的指向无关，与电场的指向无关，X、x均大于零，称为均大于零，称为伸长伸长效应。效应。铁电体中此效应较明显，一般介质在弱电场中不明显。铁电体中此效应较明显，一般介质在弱电场中不明显。x电致伸缩常数电致伸缩常数19电介介质的功能特性的功能特性 在在具具有有非非中中心心对对称称结结构构的的固固体体电电介介质质中中，除除了了上上述述的的平平方方效效应应以以外外还还观观察察到到一一种种变变形形正正比比于于电电场的线性效应，即：场的线性效应，即：d压电模数压电模数 当介质上电压极性改变，即当介质上电压极性改变，即E变号时，机械形变变号时，机械形变X的符号亦将变号，电场可的符号亦将变号，电场可引起固体引起固体伸长伸长或或压缩压缩。这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下能引起机械变形，而这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下能引起机械变形，而且在力场作用下亦能引起介质极化，使介质表面带电且在力场作用下亦能引起介质极化，使介质表面带电“压电效应压电效应（Piezoelectriceffect）”。20电介介质的功能特性的功能特性压压电电效效应应可可以以把把力力学学信信息息转转化化为为电电信信息息，存存在在于于非非对称结构的固体介质中，故有：对称结构的固体介质中，故有：线性效应一般要比平方效应显著线性效应一般要比平方效应显著非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应，形成极化，其极非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应，形成极化，其极化强度与应变成正比：化强度与应变成正比：电电-机械平方效应则无逆向的机械机械平方效应则无逆向的机械-电效应。电效应。在中心对称结构的电介质中，不管怎样的机械应力或变形都不能引起极在中心对称结构的电介质中，不管怎样的机械应力或变形都不能引起极化。化。e压电常数压电常数21电介介质的功能特性的功能特性2.2 电-热效应 介介质质在在电电场场作作用用下下由由于于电电导导电电流流和和极极化化吸吸收收电电流会引起发热，其发热量一般与流会引起发热，其发热量一般与E E 2 2成正比：成正比：此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗，此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗，特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。22电介介质的功能特性的功能特性 在在一一些些热热释释电电晶晶体体中中，不不仅仅有有平平方方关关系系的的电电热热效效应，还同时存在线性的热电效应：应，还同时存在线性的热电效应：此此为为可可逆逆效效应应。即即在在此此种种晶晶体体加加热热时时往往往往有有电电荷荷释放出，故称为释放出，故称为热释电热释电效应。效应。温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律往温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律往往成为探索介质物理机理的主要实验依据。往成为探索介质物理机理的主要实验依据。电热常数电热常数23电介介质的功能特性的功能特性2.3 电-光效应 v光光本本质质上上是是一一种种极极高高频频率率电电磁磁波波，当当光光波波穿穿过过电电介介质质时时，同同样样会会有有介介质质极极化和能量损耗（介质吸收）的现象。化和能量损耗（介质吸收）的现象。光光频频极极化化常常用用光光折折射射率率n n来来表表征征。光光折折射射率率n n是是光光在在真真空空中中的的速速度度c c与与在在介介质质中的速度中的速度 之比（之比（n=c/n=c/）。）。根据麦克斯韦尔电磁波方程有：根据麦克斯韦尔电磁波方程有：光具有粒子性，一定频率的光子具有能量光具有粒子性，一定频率的光子具有能量h h，它与介质相互作用将能引起介，它与介质相互作用将能引起介质中载流子密度和电导率的变化。质中载流子密度和电导率的变化。v光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系。光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系。非铁磁性介质中非铁磁性介质中 r 1,故故n2=r24电介介质的功能特性的功能特性v 光光照照引引起起电电介介质质电电导导激激烈烈增增加加的的现现象象是是最最广广泛泛的的一一种种光光电电效效应应光光电电导导效效应应（Photoconductioneffect）。这这是是由由于于光光子子进进入入介介质质引引起起介介质质中中束束缚电子的活化，产生新的导电载流子，使介质的电导率增大。缚电子的活化，产生新的导电载流子，使介质的电导率增大。对对于于禁禁带带宽宽度度不不宽宽的的电电介介质质和和半半导导体体，当当光光子子能能量量h h E Eg g（禁禁带带宽宽度度）时时,能引起光电动势能引起光电动势光伏打效应（光伏打效应（Photovoltaiceffect）。）。此此时时光光能能转转化化为为电电能能，但但这这种种转转化化效效率率在在半半导导体体中中较较强强，如如在在硅硅和和砷砷化镓中。现在，硅材料已成为一种应用最广泛的太阳能电池材料。化镓中。现在，硅材料已成为一种应用最广泛的太阳能电池材料。v 某某些些电电介介质质在在强强光光照照射射下下，亦亦能能观观察察到到介介电电系系数数的的变变化化。其其本本质质是是光光引引起起晶晶体体中中产产生生了了激激发发态态的的激激子子，而而导导致致有有附附加加的的介介质质极极化化电电矩矩，从从而而改改变变了了 r r值。值。25电介介质的功能特性的功能特性v 在在强强电电场场下下介介质质中中最最重重要要的的电电光光效效应应是是光光折折射射率率随电场强度的变化：随电场强度的变化：此效应可以是非线性的或线性的此效应可以是非线性的或线性的。平方式效应称为克尔效应（平方式效应称为克尔效应（Kerreffect），在任何电介质中都能），在任何电介质中都能观察到。观察到。线性电光效应称为普克尔效应（线性电光效应称为普克尔效应（Pockels EffectPockels Effect），只在光各向异），只在光各向异性的晶体和液体中存在。性的晶体和液体中存在。26电介介质的功能特性的功能特性 机械应力和光同时作用在固体介质中，所观机械应力和光同时作用在固体介质中，所观察到光折射率的改变，称为压光效应。察到光折射率的改变，称为压光效应。由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变，由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变，上述电光效应的本质与此相似，电场引起介质极上述电光效应的本质与此相似，电场引起介质极化，同时产生机械变形，导致光折射率的变化。化，同时产生机械变形，导致光折射率的变化。当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到应用。应用。27电介介质的功能特性的功能特性2.4 电压敏效应 具具有有晶晶界界的的复复合合材材料料，如如ZnO、SiC陶陶瓷瓷等等，其其电电导导电电流流密密度度随随电电场场强强度度呈呈非线性关系，在较高的电场强度下发生电流跃增现象非线性关系，在较高的电场强度下发生电流跃增现象电压敏效应电压敏效应。此类材料可做成各种电压限制器件。此类材料可做成各种电压限制器件。28电介介质的功能特性的功能特性ZnO电压敏陶瓷应用电压敏陶瓷应用为例：为例：电流为电子性电导产生。电流为电子性电导产生。低压下具有欧姆特性，低压下具有欧姆特性，随温度呈指数上升，导电机理为电子热跃迁电导：随温度呈指数上升，导电机理为电子热跃迁电导：中压下为热激发电子电导；中压下为热激发电子电导；高压下则为隧道电子电导，电流密度与电场呈指数式关系：高压下则为隧道电子电导，电流密度与电场呈指数式关系：29电介介质的功能特性的功能特性应用：应用：在工程上用作过电压保护元件在工程上用作过电压保护元件功能介质器件。功能介质器件。表征：表征：残压比（残压比（K）是其重要的特性参数之一。其大小是通过大电流（低阻）时）是其重要的特性参数之一。其大小是通过大电流（低阻）时的电压与通过小电流（高阻）时的电压之比值。的电压与通过小电流（高阻）时的电压之比值。U10 kA 试样通过试样通过10kA电流时的电压电流时的电压U1 mA 试样通过试样通过1mA电流时的电压电流时的电压元件残压比愈小，电压限幅作用愈强。元件残压比愈小，电压限幅作用愈强。30电介介质的功能特性的功能特性2.5 电电介介质电质电阻正温度系数（阻正温度系数（PTCPTC）效）效应应 v 通常电介质的绝缘电阻大都随温通常电介质的绝缘电阻大都随温度的上升而作指数式的下降，仍保度的上升而作指数式的下降，仍保持高阻绝缘状态。持高阻绝缘状态。v 然而在二十世纪中叶人们发现：然而在二十世纪中叶人们发现：有一类材料在常温下为半导电状态，有一类材料在常温下为半导电状态，而在材料温度升到某一特定区域，而在材料温度升到某一特定区域，绝缘电阻急剧上升达绝缘电阻急剧上升达4-6个数量级，个数量级，从而进入绝缘状态。从而进入绝缘状态。31电介介质的功能特性的功能特性即：即：这这 种种 电电 阻阻 正正 温温 度度 系系 数数 特特 性性 效效 应应 PTC效效 应应（Positive TemperatureCoefficient）。）。分分类类：此此类类材材料料包包含含无无机机陶陶瓷瓷（掺掺杂杂BaTiOBaTiO3 3）和和有有机机复复合合材材料料（掺掺导导电电碳碳黑黑的聚合物）两大类。的聚合物）两大类。机机理理：其其突突变变的的导导电电特特性性多多与与主主体体材材料料中中发发生生结结构构相相变变以以及及导导电电机机制制的的改改变变有关。有关。表征：表征：峰值温度峰值温度T TP P 、PTC强度强度电介质的各种特性与其物质组成、结构密切相关！电介质的各种特性与其物质组成、结构密切相关！32谢谢 谢！谢！