无机材料化学(第9讲)

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1、3.2.3介电性质介电性是一种电场诱导的物理效应，除去电场，材料内部的电极化随之消失。介电性是指在电场作用下,材料表现出的对静电能的储蓄和损耗的性质。与介电性有关的性能包括：压电性、热释电性和铁电性。电介质（电绝缘体）在外电场作用下，虽不发生电荷迁移而导电，但会发生极化（正、负电荷中心发生分离产生电偶极矩），这种现象称为介电性。1.电介质的极化与导体和半导体不同,电介质中的电子都紧紧地束缚在它们相应的原子或离子的核周围，不能自由移动。由于原子核带正电荷，电子带负电荷，所以电介质中正、负电荷是彼此强烈地束缚着。当外加电场时，虽然不能使正负电荷挣脱彼此的束缚而形成电流

2、，但正、负电荷会发生微观尺度的相对位移，使正、负电荷中心分离，这一过程叫做电介质的极化。极化后正、负电荷中心分离形成偶极子，其偶极矩p＝qι。偶极矩为一矢量，方向为ι的方向，即由负电荷到正电荷。（1）电子极化所有电介质材料均由原子或离子组成，而它们又是由原子核及核外电子云组成，所以电子极化存在于所有的固体中。在某些固体中，如金刚石，由于没有离子、偶极及空间电荷极化，电子极化是唯一的形式。对多数电介质来说，电子极化产生的极化强度比其它极化方式要小的多。电介质在外电场中极化的微观机制(极化方式):在外电场作用下原子中带负电荷的电子云相对于带正电的核发生微小位移，使正、

3、负电荷中心分离，产生电偶极矩。离子晶体中正、负离子在外电场作用下发生相对位移，使离子间的键合被拉长，电偶极矩增加。不加电场时，正、负离子间隔均等。加外电场时，正、负离子相对距离发生变化。晶体内部变化相互抵消，表面处正、负离子间距变化导致偶极矩变化。钙钛矿型化合物中，中心钛离子在外电场作用下可偏离中心位置，使正负电荷中心不重合（分离）产生极化。（2）离子极化离子极化是大多数离子晶体的主要极化机制。（3）偶极极化电介质中的固有偶极矩在外电场作用下沿外电场方向有序化排列，使电偶极矩增加。由极性分子构成的电介质，极性分子具有固有偶极矩，未加电场时，分子热运动使固有偶极矩排

4、列杂乱无章，宏观上不呈极性。在外电场中，它们转向外电场方向，表现出宏观极化现象，其矢量和不再为零。偶极极化也叫转向极化，它是极性电介质的一种主要极化方式。（4）空间电荷极化在实际的电介质材料中，由于制造工艺和纯度的原因，不可避免地有局部的不均匀性。在外电场作用下，介质中的少量载流子(自由电荷)会发生漂移，它们可能被势阱（如空位、位错、晶界等缺陷）捕获，也可能在介质不均匀的夹层处堆积起来形成空间电荷的积累，这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布（从而产生电偶极矩）即是空间电荷极化。常发生在不均匀介质中。空间电荷极化可概括表述为：存在于电介质中的少量自由电荷(间隙

5、离子、空位或电子等)受电场作用集聚于晶界、相界、异种物质边界及晶格畸变等缺陷处而产生的电极化。电解质极化不是瞬间完成的，极化完成所需时间称为松弛时间。按电子极化、离子极化、偶极极化、空间电荷极化的顺序，松弛时间逐渐增大。以上四种极化机制，某些材料可能全部具有，有些材料可能仅有其中的部分极化形式，这取决于电介质材料的性质和制备工艺。2.极化强度和极化电荷为了表征电介质的极化情况，通常引入极化强度的概念，定义为：电介质单位体积内电偶极矩的矢量和。P=i/△V对于由极性分子构成的电介质，虽然单个分子偶极矩不等于零，但在通常情况下，由于热运动使各个偶极矩取向完全杂乱，单位

6、体积内偶极矩矢量和为零，对外不显示出宏观电荷。置于外电场中极化后，电介质内部单位体积内的净电荷及极化强度为零，但在电介质表面出现宏观电荷(对于电子极化和离子极化，情况完全相似)，这些电荷称为极化电荷。电子极化离子极化极化电荷是束缚在分子、原子或离子内的，不能远离其所属的分子、原子或离子，所以又称束缚电荷，而一般导体所带的电荷，可以在导体内自由运动，所以称自由电荷。电介质极化后内部极化电荷为零，所以，极化强度直接与表面极化电荷有关，极化强度等于极化电荷的面密度。极化电荷：电介质在外电场中极化后，在垂直于外电场的表面上出现的电荷。对平板真空电容器，极板面积为A，极板间

7、距为d,当接上电源充电至极板间电压为V，极板上产生的电荷为Q0,Q0与V成正比，Q0=C0V，C0为比例系数，称真空电容。当在真空电容中插入电介质后，由于电介质材料发生极化，在相同的电压V下，电容器极板上储存的电荷量增加了Q1,总量为Q0+Q1，则：Q0+Q1=CV，C为置入电介质后平板电容器的电容。Q0+Q1极化电荷激发电场使极板间电场改变，极板上的电荷发生变化。εr=，C=εrC0上式表明，电介质的介电常数εr越大，相应的电容就越大。真空中εr=1，电介质的εr则都大于1。大多数离子型固体的εr在5~10。真空电容器中插入电介质后，极板上电荷增量Q1，应与电介

8、质极化的束