电介质物理与材料.ppt

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1、电介质物理与电介质材料1.电介质基本概念2.电介质材料的分类3.电介质材料的研究对象和频域范围4.电介质材料的研究内容5.电介质的性质第一章电介质概念、分类、研究内容1．基本概念1.1电介质(dielectric)一切绝缘体统称为电介质。电介质的基本属性：在外电场作用下，电介质内部原子分子发生位移运动，称之极化，这种极化能在电介质内部长期存在，相应地，极化可以形成电场,并且这种电场反过来可以影响外电场。具有上述极化能力的物质就是电介质。1）静电场中，电介质内部能够存在电场；2）电介质内部束缚电荷这种物理现象和过程与金属有明显的区别：在静电平衡态，金属导体内

2、部，不存在自由电荷，其内部电场是等于零的。或者说，金属导体内不存在束缚电荷。这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明。电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场，且具有明显极化特性的材料。存在束缚电荷。需要明确的两个概念电介质束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）电介质内部的束缚电荷来源和特点1.2电介质物理研究特点电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化，电介质

3、物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制，其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。2）电介质物理也研究绝缘材料的电导或漏导、电击穿过程，指导电绝缘材料设计（强电技术）。3）金属也具有类介电效果，但意义完全不同。金属的类介电性来源于电子气运动中感生出虚空穴（正电荷），引起动态屏蔽效应。但是，金属内不涉及束缚电荷，不能把金属的介电性列入电介质物理研究的范畴。1.3电介质的电子结构特征与电响应特征1）电子结构特征用固体能带理论，可将电介质定义为这样一种物质：电介质能级图中，基态被占满，基态与第一激发态之间被很宽的禁带隔开，电子激发到导带必须足够的能

4、量，这个能量大到可使电介质遭到破坏，见示意图。将电介质的能带结构和半导体、导体的能带结构相比较，可以看出，他们有明显的区别。2）电响应特征电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子共有化，体内有自由载流子，这就决定了金属具有良好的导电性。它们以传导方式传递电作用。电介质中，一股只存在束缚电荷。在电场的作用下，电荷不能以传导方式而只能以感应的方式作用，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电场的影响。不同电介质电极化机制不同，但他们响应电场的作用是共同的——电极化方式。因此，研究电介质在电场作用下发生极化的

5、物理过程并导出相应的极化规律，是电介质物理的一个重要课题。综上所述，电介质体内没有自由电荷，有良好的绝缘性能。在工程应用上，通常需要将电路中具有不同电位的导体彼此隔开，要使用电介质材料，利用的就是电介质的绝缘特性，从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料(Insulatingmaterial)或绝缘体(Insulator)。工程上应用的电介质与理想的电介质不同，主要区别是：实际电介质在电场作用下存在漏电流和电能的耗散，甚至在强电场下，实际电介质还可能被破坏。因此，除了要研究电极化外，还要研究电介质的电导、损耗、击穿等特性。这些就是电介质物理需要研究的主要问题

6、。2.电介质的分类电介质种类繁多，组成物质结构亦千差万别。可以从不同角度对电介质进行分类。1）按材料类可将电介质分为：无机电介质和有机电介质两大类。无机电介质：云母、玻璃、陶瓷等一类的无机材料。有机电介质：矿物油、纸、高分子聚合物等有机材料。2）按照物质的聚集态可将电介质分为：气体介质(如空气)液体介质(如电容器油)固体介质3）按组成物质原子排列的有序化程度分类晶体电介质：石英晶体、陶瓷晶体等非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。4）按分子电极性分类工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。非极性电介质：无

7、外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。聚四氟乙烯的分子结构：极性介质：由正、负电荷中心不重合的极性分子组成。如电容器纸的主要成分—纤维素及聚氯乙烯薄膜等。5）其他按照介质成分均匀度进行分类：均匀电介质(如聚苯乙烯)非均匀电介质(如电容器纸—聚苯乙烯薄膜复合介质)。还有别的分类：块状介质膜状介质。分类研究电介质，有利于将其性能研究统一在物质共同属性基础之上，便于总结出介电性能与材料组成、结构之间相互关联的规律。3.电介质材料的研究对象和频域范围（1）材料对象及特点固态电介质，包括晶态电介质和非晶态电介质两大类。例如，玻璃、陶瓷

8、、树脂、高分子聚合物等，这些材料是良好的绝缘材料。在电场作用下，这