材料结构与介电.ppt

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1、第五章　介电材料结构与介电行为5.1介质的极化5.1.1平板电容器及其电介质极化5.1.2极化现象及其物理量5.1.3宏观极化强度与微观极化率的关系5.2极化机制5.2.1位移极化5.2.2松弛极化5.2.3取向极化5.2.4空间电荷极化5.2.5自发极化5.3介质损耗5.3.1介质损耗表示方法5.3.2介质损耗与材料微观结构5.4介电强度5.4.1介质在电场中的破坏5.4.2介质击穿机制5.4.3无机材料击穿的影响因素5.5铁电性5.5.1晶体的自发极化与铁电性5.5.2BaTiO3自发极化微观机理5.5.3铁电畴结构5.5.4电

2、滞回线与电畴结构理论5.5.5铁电体的性能及其应用5.6压电性5.6.1压电效应5.6.2压电振子及其参数5.6.3压电性与晶体结构5.6.4压电材料及其应用15.1介质的极化5.1.1平板电容器及其电介质极化电容C的物理意义——两个邻近导体加上电压V，具有存储电荷的能力。C＝Q/V——单位电压存储电荷量（F，库仑/伏特）已证明真空电容器的电容量主要由二个导体几何尺寸决定。C0＝0A/d，A为平板面积，d为平板间距，0为真空介电常数（F/m)法拉第发现，某些材料插入真空电容器，电容量增加r倍。r为相对介电常数，＝r0为

3、材料介电常数（F/m)电介质——平板电容器中能增加电容的材料或电场作用下能建立极化的材料。电介质的极化——电介质在电场作用下产生感应电荷的现象。r反映了电介质的极化能力。dAQQ++--V真空平板电容器-------+++++++------++++++-+V平板电容器中电介质的极化25.1.2极化现象及其物理量1.极化的物理本质——介质中质点（原子、分子、离子）的正负电荷重心分离，从而转变成偶极子。——设：正负电荷位移矢量l，则定义偶极子的电偶极矩，方向从负电荷指向正电荷，与外电场方向一致。-q+qlE2.介质中极性分子的电偶

4、极矩——在外场下，极性分子发生趋于电场方向的转向，此时，电偶极矩为原极性分子偶极子在电场方向上的投影。——定义：质点的电偶极矩，或称质点极化率（微观极化率）为：Eloc为质点处局部电场，区别于宏观外电场E，是单位电场强度电偶极矩，是一个标量。33.介质的极化强度——定义介质极化强度为介质单位体积内的电偶极矩之和：——当已知质点密度n，质点电偶极矩，质点极化率，则极化强度可以表示为：——实验证明，电极化强度不仅和外加电场有关，也和极化电荷产生的电场有关，也即与电介质处的实际宏观有效电场E成正比。——对于各向同性电介质，有E为

5、宏观有效电场强度，e为宏观电极化率（单位为1）可以证明有：45.1.3宏观极化强度与微观极化率的关系1.宏观有效电场（实际有效电场E）——实际有效电场E＝外加电场E外＋退极化场E1（极化强度P产生的电场）——可以证明：洛仑兹关系2.克劳修斯－莫索堤方程当已知质点密度n及质点极化率，则有53.讨论克劳修斯－莫索堤方程——克劳修斯－莫索堤方程建立了宏观参量r，电介质相对介电常数，和微观参量，质点极化率，及n，质点密度的关系。——适用于分子间作用力较弱的气体，非极性液体和固体，以及Nacl型离子晶体，立方对称晶体。——当存在多种极

6、化质点时，有5.2极化机制介质极化来自三个方面的贡献：电子极化、离子极化、偶极子转向极化。介质极化基本形式有二种：（1）位移极化——其特点：弹性、瞬时、无能量损耗（2）松弛极化——与热运动和时间有关、非弹性、耗能、不可逆过程——高介电常数途径，（1）质点电偶极矩要大；（2）单位体积内极化质点数n要大。65.2.1电子位移极化1.定义在外场作用下，原子外围电子云相对于原子核发生位移形成的极化——原子中正负电荷重心产生相对位移。——电子很轻，可以光频（1016Hz）随外电场变化。2.经典理论电子平均极化率由玻尔原子模型3.量子论电子极

7、化率fj为电偶极子跃迀振子强度，j0与跃迀能隙有关，j与能级分布有关，m为电子质量。75.2.2离子位移极化1.定义离子在外电场作用下，偏离平衡位置的移动，而产生的极化——也可理解成离子晶体中离子间的结合键在外电场作用下被拉长。2.经典弹性论离子位移极化率A为晶格常数，n为电子层斥力常数，离子晶体n=7～11离子质量远大于电子质量，极化建立时间较长，约为10-12～10-13s。——与晶格振动光学模频率（红外区）符合。3.极化建立时间85.2.3电子松弛极化Te1.定义弱束缚电子极化——外电场作用下，使弱束缚电子运动具有方向性，

8、形成极化状态。——弱束缚电子：晶格缺陷，如：热振动，杂质，可使电子状态发生改变，产生位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子，如：离子晶体中的F色心。离子晶体中的F色心•eNaCl晶体在Na蒸汽中加热，Na+进入晶格，形成负离子空位。如图