材料物理性能测试技术讲课-介电特性.ppt

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1、材料物理性能测试技术—材料的介电性能高智勇本章知识结构电介质及其极化极化的相关物理量压电性和释电性铁电性介电测量简介电介质及其极化电介质的定义介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，这一类材料总称为电介质。电介质通常是指电阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而非传导的方式呈现其电学性能的材料。导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没有自由电荷迁移电介质：用于把带电体隔离、并能长期经受强电场作用的绝缘材料介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料电介质：在电场作用下能建

2、立极化的物质。在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷称为感应电荷，又称束缚电荷。电介质及其极化电极化的定义在电介质材料中起主要作用的是被束缚着的电荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量电容:当两个临近导体加上电压后具有存储电荷能力的量度电容的单位是法拉，简称法，符号是F,毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)真空电容

3、器的电容主要由二个导体的几何尺寸决定q为单位面积电荷；d为平板间距（m）；A为面积（m2）；V为平板上电压（V）法拉第发现，当一种材料插入两平板之间后，平板电容器的电容增加。现在已经掌握，增大的电容应为：r为相对介电常数；(0r)为介电材料的电容率，或称介电常数（单位为C2/m2或F/m）放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。显然，它属于电介质。所谓电介质就是指在电场作用下能建立极化的物质。在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在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感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应

4、电荷，亦称束缚电荷电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。平板电容器中的电容（a）真空平板电容器；（b）平板电容器中的介电材料极化的相关物理量根据分子的电结构，电介质可分为两大类：极性分子电介质，例如H2O、CO等；非极性分子电介质，例如CH4、He等结构的主要差别是分子的正、负电荷统计重心是否重合，即是否有电耦极子。电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构q为所含电量；L为正负电荷重心距离极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负

5、电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电荷重心将发生分离，产生电耦极矩极化电荷：是指和外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性描述电介质这种性质的参数极化强度介电常数电介质极化的机制电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S可逆与温度无关产生于所有材料中电子极化率的大小与原子(离子)的半

6、径有关电介质的极化电子位移极化：在外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核位移极化可以在光频下进行，10-14-10-10S可逆与温度无关产生于所有材料中电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关E-+d+--------电子轨道位移：原子中的所有电子都发生、但价电子显著、内层电子不显著原子或离子半径电子轨道位移原子正、负电中心不再重合电介质的极化原子（离子）位移极化：外电场引起的原子核之间的相对位移，相当于一感生偶极矩极化晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩也可以看做离子间的键合在电场作用下被拉长++--+-+-++--

7、E离子位移极化率：式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数对于离子晶体n为7-11可逆;反应时间为10-13-10-12S温度升高，极化增强产生于离子结构电介质中结合键被拉长电介质的极化取向极化：偶极子沿电场方向择优排列沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）＋——＋——＋——＋——＋——＋——＋——＋——E热运动：无序电场：有序+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-无电场无电场时有极分子的取向杂乱无章，宏观上电介质对外不显电性+-+-+-+-+-

8、+-+-+-+-+-+-+-E0有电场有外电场时在外电场力矩作用下，偶极子（有极