材料物理电介质物理.ppt

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1、4.材料的介电性4.1 电介质概述,一、电介质的定义,电介质的本质特征是以极化的方式传递、存储或记录电场的作用和影响，介电常数是表征电介质的最基本的参量。,陶瓷的介电性能决定于感应极化的产生及其随时间的建立过程，而介电常数随频率和温度的变化是决定电介质应用的重要因素。,在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性线性均匀电介质在电场中的行为。所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生变化，所说的各向同性是指电介质的参数不随场量的方向发生变化，线性是指电介质的参数不随场量的数值发生变化。,4.材料的介电性4.1 电介质概述,4.材料的介电性4.1 电介质概述,二、电介质材料,高频电容器陶瓷（即I类介质

2、陶瓷）和微波介质陶瓷，通常都是线性电介质。,而铁电体（铁电陶瓷）则表现出电学非线性，通常称为非线性电介质。,单晶材料为各向异性电介质，陶瓷材料通常被视为各向同性电介质，但经极化处理后的压电陶瓷则表现出各向异性。,各向异性电介质通常用张量来描述其物理性质。,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,一、电介质的极化定义,导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。,注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。,在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上

3、作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下,电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。,电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：,极化强度的单位为库仑/米2(C/m2),每个分子的电偶极矩,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,电介质物理,电介质的极化,电介质,非极性电介质：,极性电介质:,离子性电介质:,单原子分子(He,Ne,Ar等),相同原子组成的分子(H2,N2,Cl2等),对称结构的多原子分子(CO2,CCl4,CnH2n+2等),弱极性电介质,00.5D,中极性电介质,0.5

4、D 01.5D,强极性电介质,01.5D,石英，云母，金红石型离子晶体,玻璃陶瓷,其他无机电介质,说明：,1.真空中 P=0，真空中无电介质。,2.导体内 P=0，导体内不存在电偶极子。,注意:介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。,3.电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,二、极化类型,弹性位移极化（瞬时极化）,取向极化（弛豫极化）,电子位移极化（Electronic Polarizability）Response is fast,is small离子位移极化（Ionic Polari

5、zability）Response is slower,偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）Response is still slower空间电荷极化(Space Charge Polarizability)Response is quite slow,is large,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,阅读书本上第126页,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,原子和离子的电子位移极化率与温度无关。,注意：,离子位移极化率与正负离子半径和的立方成正比，与电子位移极化率有大体相同的数量级

6、，随温度升高，离子间距离增大，相互作用减弱，力常数K减小，因此离子位移极化率随温度升高而增大，但增加甚微。,偶极子取向极化率与温度成反比，随温度升高而下降。偶极子取向极化率比电子位移极化率大得多，约为1038 F.m2.。,介电性能的温度特性对于介电材料的实际应用至关重要，如介电常数温度系数是衡量电介质陶瓷性能的重要指标之一。,4.材料的介电性4.2 电介质的极化,不同电介质因极化机制不同,通常表现出不同介电常数.,气体:单原子,电子位移极化,r=1+n0/0,极性分子气体:=e+=e+02/3KT,非极性液体和固体电介质,r=22.5,极性液体电介质,=e+=e+02/3KT,r2.5,离子

7、晶体,一、基本介电关系,在各向同性的线性电介质中,极化强度P与电场强度E成正比，且方向相同，即P=0E-电介质的极化率，对于均匀电介质是常数，对于非均匀电介质则是空间坐标的函数。定量表示电介质被电场极化的能力，是电介质宏观极化参数之一。,4.材料的介电性4.3 电介质的物理参数,基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度之间的关系为:D=0E+P,适用于各类电介质。,D=0E+P0E0E（1）0E,令（1）0 0r=，则有D=E,仅适用于各向同性线性电介质,和r分别为电介质的介电常数和相对介电常数。,一、基本介电关系,4.材料的介电性4.3 电介质的物理参数,一、基本介电关系,4.材料的介电

8、性4.3 电介质的物理参数,从微观上,极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶极矩的向量和,P=n0.,对线性极化,=Ee,-原子分子离子的极化率,Ee-有效电场,上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(、r、E）与微观参数(、n0、Ee)之间地关系。,电介质极化的宏观参数与微观参数的关系,4.材料的介电性4.3 电介质的物理参数,二、介电常数,在交变电场下，由于介质的极化建立需要一定时间，在实际电介质中会产生损耗，因此介电响应需用复介电常数描述,其中，表示损耗，称为损耗因子，是表示电介质损耗的特征参数，其中 为电导率。在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗，,4.材料的介

9、电性4.3 电介质的物理参数,三、介电弛豫,弛豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为弛豫过程。弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。,4.材料的介电性4.3 电介质的物理参数,四、介电损耗,电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。,电介质在电场作用下的

10、往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。,电介质的损耗 在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量,电导损耗,松弛极化,典型的为偶极子转向极化,产生原因,电介质的损耗,在直流电压作用下，介质损耗决定于。,在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流,电介质的损耗,交变电场作用下,除了泄漏电流，还有极化电流,只用 来描述就不够了，必须要用其它量来描述介质的品质，即介质损耗角正切（loss factor）,电介质的损耗,是电压U与电流I的相位差,电介质的损耗,介质损耗角正切 的意义,介质损耗,由于,当 恒定时，是

11、描述交变电场作用下介质损耗的宏观参数；的研究对介质的研究很有意义。,电介质的损耗,4.材料的介电性4.3 电介质的物理参数,电介质的损耗,固体电介质的损耗,一、固体的无机电介质,无机晶体 较小，损耗主要来源于电导损耗。如食盐Nacl晶体，石英，云母等。,损耗主要来自电导,电介质的损耗,结论：,与 基本相当；,高频（2106 Hz）下，介质损耗也是电导损耗。,电介质的损耗,无机玻璃以共价键结合为主，无机玻璃的基本结构SiO2或B2O3形成具有近规则的空间网。,1、纯玻璃 结构紧密无弱束缚离子，只有很小的电导 石英玻璃 硼玻璃,2、工程玻璃 结构变松，弱束缚离子增多,电导损耗松弛损耗结构损耗热离子

12、损耗,电介质的损耗,3、陶瓷介质,瓷较常用 绝缘子 玻璃 有机复合的陶瓷：不均匀结构，含三相结晶相，玻璃相，气隙,1、富含玻璃态的陶瓷，大量玻璃相和少量微晶结构，如普通绝缘瓷，大。a 玻璃相中离子电导损耗 b 结构较送的多晶点阵结构引起的松弛损耗 c 气隙含水一起的界面附加损耗,2、不含或含有极少量玻璃相，由大量微晶晶粒组成，有Al2O3高频瓷，MgSiO4为基础的块滑石瓷等，小。,电介质的损耗,二、固体的有机电介质,非极性：含PE、PS、PTFE、天然石蜡、地蜡等,极性：PVC、CF(甲酚-甲醛树脂)、EP（环氧树脂）,用途：工频和高频绝缘材料,4.材料的介电性4.4 电介质的击穿,击穿场强

13、电介质所能承受的不被击穿的最大场强。击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。,电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。,1 概述,电介质的击穿,电介质击穿,电介质电导突然剧增，绝缘状态变为导电状态这一跃变现象,or,介质击穿判据：在图5-1中，j-E或I-U曲线上dI/dU=,Eb,Ub的意义和作用,1电介质的基本电性能参数之一，代表了电介质在 电场作用下保持绝缘

14、状态的极限能力。2绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要 因素，约占70%。3高场强的应用越来越多，如电子器件，电压不高 场强高，高场强问题多。4击穿过程中，有电流倍增效应，以及光、热、机 械力的作用，在工程应用技术中，有广阔的应 用前景。如，超薄电视机就是气体放电引 起荧光物质发光。,2 固体电介质的击穿,一 概述,与气体、液体介质相比，固体介质的击穿有何不同：,固体介质的击穿场强较高击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或溶化的通道、裂缝等，去掉外施电压，不能自行恢复绝缘性能,击穿形式,热击穿电击穿不均匀介质局部放电引起击穿,固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系,（一）热击穿,由

15、于电介质内部热的不稳定过程所造成的。,影响因素,与材料的性能有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关,因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数,（二）电击穿,在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。,主要特性：,击穿场强高（大致在515MV/cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大,意义,反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电 强度或电气强度,（三）不均匀电介质的击穿,包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。,击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。,