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1、第四章电介质物理电容器的分类电容器的分类电容器的分类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
2、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
3、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
4、.材料的介电性4.2电介质的极化说明：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）Responseisfast,Responseisfast,τissmall离子位移极化（Ion
5、icPolarizability）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
6、，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=1+n0/0极性分子气体:=
7、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,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
8、介质。D=0E+P＝0E＋0E＝（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,
