材料物理电介质物理

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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.

2、1电介质概述二、电介质材料高频电容器陶瓷（即I类介质陶瓷）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

3、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)宏观上无限小微观上无限大的体积元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

4、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,μ0≤0.5D中极性电介质,0.5D<μ0<1.5D强极性电介质,μ0>1.5D石英，云母，金红石型离子晶体玻璃陶瓷其他无机电介质一般具有对称的化学结构，介电常数εr=2～5,体电阻率ρv=1014～1016Ω·m化学惰性，性能稳定化学结构不对称，介电常数εr=2.6～80,体电阻率高于非极性电介质介电常数较大，较高的机械强度按正负电荷和分布特性可分为无外电场作用时，由正

5、负电荷中心重合，电偶极矩为零的分子组成无外电场作用时，由正负电荷中心不重合，具有固有偶极矩的分子组成通常由正负离子组成说明：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（ElectronicPolarizability）Responseisfa

6、st,τissmall离子位移极化（IonicPolarizability）Responseisslower偶极子取向极化（DipolarPolarizability）Responseisstillslower空间电荷极化(SpaceChargePolarizability)Responseisquiteslow,τislarge4.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。

7、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，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10－38F.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=

8、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=22.5极性液体电介质,=e+=e+02/3KT,r>2.5离子晶体一、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