电介质物理课件(20133)

电导离子主要为晶体内的缺陷
离子，如Schottky Def ects和 Frenkel Def ects。
Schottk y：离子数
nS

N exp（ U S ） KT
Frenkel：nF
N N exp（ U F ） 2KT
N — 晶体点阵上的离子浓度；
N — 晶体点阵间隙位置浓度。
1.纯玻璃： Aexp（ B） 10-1（7 cm）1 T
SiO2：B 22000 B2O3：B 25500
激活能大，电导率低
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2．含碱玻璃的电导:
杂质：Na2O，K2O，Li2O（典型的弱
束缚离子）形成断键

引入一价金属离子的影响：
1．结构松散，使U下降，电导增加。
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C球 4 0 r F 4 0 r
E

f
q
C球
6

r
v
4
0

r

故：v 20 E
3
胶粒的电导率： nq v 2nq 0
E
3
8n（0 ）2 r CONSTANT 3
60% Na
压抑效应：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金 属氧化物（CaO、BaO等），由于二价碱土金属可使玻 璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势 垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。
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三、固体介质的表面电导
S d
IV
V
S d
V
GV
V
V 体积电导率（ m）1

1 2
3
4

A exp（
U ） KT
A exp（ B ） T
B — 晶体中本征离子电导的平均温度指数；
U — 晶体中本征离子电导的平均激活能（活化能）。
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2. 杂质离子的电导：
Aexp（- B）
T 由于杂质离子的激活能较本征离子低的多，因此：
第三章 电介质的电导
本章讲解实际介质在电场作用下的有限 电导过程及微观机理。 概述 气体介质的电导 液体介质的电导 固体介质的电导
20带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子 带电的分子团-胶粒 液体介质中的水珠 电子 极少，在特殊条件下出现
二、导电机构 离子电导 由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导； 由杂质离子产生的杂质离子电导。 电泳电导 带电胶粒形成的基团产生的电导。 电子电导 一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。
2019/10/15 法拉第效应―――判断离子电导
20
霍耳效应
F

qv

B
S
-
I
B F
+
I
N
Palm
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法拉第效应：
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m M Q qF
F — 法拉第常数 96496；
M — 离子的原子量；
Q — 析出m物质所需的总电量；
q — 离子的电荷
2．缺陷离子数增加 ，电导增加， 也与R2O的浓度成正比
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Li Na K
R
C
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3）降低玻璃的电导方法:
中和效应：当玻璃中碱金 属氧化物的总浓度较高， 而用另一种碱金属来部分 取代（总浓度保持不变）， 可降低玻璃的电导率和损 耗，这种效应称为“中和 效应”。

K 40%
tan
特点：1）胶粒为分子的聚集体，大小在10-6～10-10m； 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3）胶粒为带电体，带电规律：
胶粒的介电常数比液体大，带正电
胶粒的介电常数比液体小，带负电
1

D1 0 E1
,
2

D2 0 E2
1
2
2019/10/15 1 2 E1 E2
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§3-2 气体介质的电导
一、气体介质的电流-电压关系（伏-安特性曲线）
j(A/ m2 )
I
II
III
jS
E1
E2 E(V / m)
气体介质的电流-电压关系
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6
二、气体介质中的载流子浓度
Z n n
平衡状态下，N Z，
— 复合系数，对空气 1.6 101（ 2 m3 / s）
A A B B 晶体中总的离子电导率为：
总



Aexp（-
B） Aexp（T
B） T
ln
•低温时主要由活化能低的杂质离 子引起电导；
•高温时主要由活化能高的本征离 子引起电导。
本征 杂质
1 T
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二、无定形固体介质的电导
玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活 化能，活化能U为平均值。
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§3-4 固体介质的电导
固体介质按结构可分为：
晶体
非晶体
固体介质的电导按导电载流子的种类可分为：
离子电导 在弱场中主要是离子电导
电子电导 某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙，
钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈
现出电子电导的特性。
固体介质导电性质的判断：
霍尔效应 ―――判断电子电导
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L
A
如有m种载流子，
m
j niqii E i0 3
欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手： (1) 减小电介质的载流子数, (2) 降低迁移率。 极化和电导的区别：
离子微小位移——产生
离子从一个电极位移至另一 个电极——形成电导
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介质的电导有: 体积电导:西门子/米（用s/m或者s/cm表示） 表面电导:西门子 与电介质的性质有关，与电介质表面 吸附的导电杂质有关。
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Frenkel
Schottky
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缺陷离子的迁移率可由热离子模型求得
q 2 exp（ U 0 ）
6KT
KT
U 0 — 产生的缺陷离子沿电场方向迁移时
所需克服的位垒高度。
缺陷离子所形成的离子电导率为：
nq nq2 2 exp（ U 0 ）
6KT
（e（u0－u ) KT
（u0 +u)
e KT )

n0 6


e
u0
K（T e
u KT
u
e KT
)
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u qE KT
2
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由热离子势垒模型，可将液体看成类固体，则：
n n0q exp（ U 0 ） E
6KT
KT
离子宏观平均漂移速度为：
具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的
1000多倍),具有较大的流动性。
常见的液体电介质：
矿物油——变压器油、电容器油；
植物油——蓖麻油、桐油；
有机溶剂——苯、甲苯、四氯化碳；
新型液体介质——十二烷基苯、硅油、酯类油。
液体电介质的电导率：
纯液体介质具有很低的电导率=10-13～10-15（cm）-1，
6KT
KT
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电导率关系式可简化为： a exp（ B ）
T
T
温度变化的指数项远比a 项变化显著 T

A exp（ B ）
T
液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同
ln ln A B
T 如液体介质存在本征和杂质离子，则：
ln


A1
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2.华尔顿定律
设： 胶粒为球状，半径为r； 胶粒所带电荷为q； 胶粒与液体间的电位差为 0.05 ~ 0.07V； 胶粒的介电常数为

电场力：F qE
摩擦力：f

6r

v
摩擦力f
电场力F
式中 液体的粘度，v 胶粒的迁移速度

平衡时：F f
运动方向
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v n q 2 exp（ U 0 ） E
n0
6KT
KT
离子的迁移率为：
v q 2 exp（ U 0 ）
E 6KT
KT
故离子电导电流密度和电导率分别为：
j

n0 qE

n0q 2
6KT
2

exp(
U0 KT
)E

n0q

n0q 2 2 exp( U 0 )
含有杂质的液体介质的电导率=10-9～10-13（cm）-1。
液体电介质的电导种类：离子电导，电泳电导
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一、液体介质的离子电导 离子的来源: 本征离子：液体本身的基本分子热离解.
杂质离子：外来杂质分子离解， 液体本身的基本分子老化的产物
二、离子电导率与温度的关系
n＝
n0 6
如正、负离子的迁移率分别为 、 ，则：


e N（ ）


这是一个与电场无关的常数，因此在弱电场下，
气 2019/10/15 体介质的电流电压满足欧姆定理。
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2. 电场较强时，j n2，
qd
j q（Nd n2d） qNd 常数 jS
3. 高电场区 如电场很高，例如E>106V/cm，离子在电场中获 得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使n随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。