介质的极化PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3页/共21页
2. 物理量 电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的 分离，使其转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束 缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极
5
第5页/共21页
极板上自由电荷密度： Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E----两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场） 介电材料存在时极板上电荷密度D等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和： 由： D = (Qo+ Q1 )/A 和r= (Qo+ Q1 )/Qo ，得：
11
第11页/共21页
（1） 离子松弛极化
晶格缺陷和玻璃相中存在很多的弱束缚离子，这些离子容易活化迁移，在 热运动过程中，不断从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。
无外电场作用时，这些离子向各个 方向迁移的概率相等，陶瓷介质不 呈现宏观电极性；
在外电场作用下，这些离子向电场方向和反 电场方向迁移的概率增大，在一个或几个离 子范围内作定向运动，以致内部电荷分布不 均匀，而引起极化，使陶瓷介质呈现宏观电 极性。
离于松弛极化的迁移与离子电导不同。离于电导是离子作远程迁移，而离 子松弛极化质点仅作有限距离的迁移，它只能在结构松散区或缺陷区附近移动， 需要越过势垒U松或U’松，由于U松＜U导电，所以离子参加极化的几率远大于参加 电导的几率。
12
第12页/共21页
U’松 U导电
U松
结构正常区
缺陷区
离子松弛极化与离子电导势垒
19
第19页/共21页
各种极化机制比较
极化形式 极化的电介质种类
极化的频率范围 与温度的关系
电子位移 极化
离子位移 极化
离子松弛 极化
电子松弛 极化
转向化
一切陶瓷
直流—光频
离子结构电介质
直流—红外
存在弱束缚离子的玻 璃和晶体陶瓷
钛质瓷、高价金属氧 化物
有机、极性晶体陶瓷
直流—超高频 直流—超高频 直流—超高频
10
第10页/共21页
3. 松弛（或弛豫）极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。 松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在 一定温度下发生极化。 松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建 立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。 松弛极化包括：电子松弛极化和离子松弛极化。
空间电荷 结构不均匀的陶瓷电 直流—高频
极化
介质
无关
温度升高极化增 强 随温度变化有极 大值 随温度变化有极 大值 随温度变化有极 大值 随温度升高而减 小
20
第20页/共21页
谢谢您的观看！
21
第21页/共21页
1
第1页/共21页
本小节内容
极化现象及其物理量 介质的极化机制
2
第2页/共21页
3.1 介质的极化
一、极化现象及其物理量
1. 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－
－
－
－
－ － － －－ －－
真空
E
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+ ++
++ ++
自由电荷
+ 偶极子 -
束缚电荷
3
++ ++
----
++++ ----
++++
外电场
18
第18页/共21页
空间电荷极化的特点： a) 其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时。 b) 属非弹性极化，有能量损耗。 c) 随温度的升高而下降。因为，温度升高，离子运动加剧，离子扩散就很容易， 因而空间电荷的积聚就会减小。 d) 与电源频率有关，主要存在于直流和低频阶段，高频时，因空间电荷来不及 移动，就没有或很少有这种极化现象。
具有电子松弛极化的介质，其介电常数随频率升高而减小，类似于离子松弛 极化。同样，ε随温度的变化中也有极大值。和离子松弛极化相比，电子松弛极 化可能出现异常高的介电常数。
15
第15页/共21页
4. 偶极子转向极化 具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外
加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极 矩。
3.1 介质的极化
二、介质的极化机制
介质的总极化一般包括四个部分：电子极化、离子极化、偶极子转向极化和空间 电荷极化。
极化的基本形式： 第一种：位移极化----弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。（如电子位移 极化、离子位移极化） 第二种：松弛极化----该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。（如电子松弛极化、离子松弛极化）
D = r Qo /A = r o E 同时， D= oE+P = or E = E (---绝对介电常数）
P= ( - o)E = o ( r- 1) E 电介质的电极化率α：束缚电荷和自由电荷的比例： α =P/oE= (r-1) 得： P= o α E（作用物理量与感应物理量间的关系）
6
第6页/共21页
8
第8页/共21页
1. 电子位移极化 无外电场作用
±
E
+-
在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成 感应电矩而使介质极化的现象称为电子位移极化。
电子位移极化是在原子和离子内部发生的可逆变化，极化建立时间约为1014～10-16 秒。通常不以热的形式耗散能量，不导致介电损耗。
9
第9页/共21页
2. 离子位移极化
X+
－－
E
X-
+
+
离子晶体中，无电场作用时，离子处于正常结点位置并对外保持电中性， 但在电场作用下，正负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态， 电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子。
离子位移极化所需时间大约为10-12～10-13 秒。不以热的形式耗散能量，不 导致介电损耗。
一些陶瓷、玻璃和聚合物在室温下的相对介电常数
材料 SiO2玻璃 金刚石
α-SiC 多晶ZnS 聚氯乙烯
BaTiO3 刚玉
频率范围/Hz 102-1010 直流 直流 直流 60 106 60 (106)
相对介电常数 3.78 6.6 9.7 8.7 3.0 3000 9 (6.5)
7
第7页/共21页
17
第17页/共21页
5. 空间电荷极化（或界面极化）
在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷 区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电荷积聚，形成空间电荷极 化。
由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外电场方向相反的电场，因此这种极 化有时称为高压式极化。
P
----
由于离子松弛极化的建立需要一定的时间（长达10-2～10-5 秒），所 以介质的频率小时，作用大。
因此在无线电频率下(γ=106 Hz)，离子松弛极化来不及建立，因而介 电常数随频率升高明显下降。
14
第14页/共21页
（2） 电子松弛极化 由于晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电
16
第16页/共21页
偶极子转向极化的特点： a) 极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。 b) 形成极化所需时间较长，约为10-2 ～ 10-10 秒，故其εr与电源频率有较大的关 系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其εr减小。 c) 极化率较高，比电子极化率、离子极化率（10-40 F·m2）高得多，约为10-38 F·m2左右。 d) 温度对极性介质的εr有很大的影响：温度过低时，由于分子间联系紧(例如液 体介质的粘度很大)，分子难以转向， εr也变小(只有电子式极化)，所以极性液 体、固体的εr在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，εr又随 温度的上升而减小。
两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比： Qo=CoV
两板间放入绝缘材料时，施加电压不变电荷增加了Q1，有： Qo+ Q1 =CV
相对介电常数r ：电介质引起电容量增加的比例 。 r=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo
电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，在材料表面感应了异性电荷， 它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电荷的作用，在同一电压下， 增加了电容量。 结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越 大，相应电容器的尺寸可减小。
子。电偶极矩=ql（单位：库仑·米），电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷，
与外电场方向一致。 质点的极化率： = /Eloc ，表征材料的极化能力。 局部电场Eloc：作用在微观质点上的局部电场。 介质的极化强度P：P=/V，单位介质体积内的电偶极矩总和（或束缚电荷的面 密度）。
4
第4页/共21页
3. 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系
（U松－结点上离子迁移需克服的势垒；U’松－填隙离子迁移需克服的势垒）
温度的影 响
一方面，温度升高，松弛过程加快，极化建立得更充分些，这时ε可
升高；另一方面，温度升高，极化αT下降（热运动的影响增强）， 使ε降低。所以在适当温度下ε有极大值。
13
第13页/共21页
离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常 数。
3.1 介质的极化
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于 1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。 陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有 特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介 质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用。 电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。 目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特 别是温度范围。
子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成弱束缚电子。 电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动，造成
电荷分布不均匀，形成极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过程， 所以叫电子松弛极化。
电子松弛极化建立的时间约10-2～10-9 秒，当电场频率高于 109 Hz时，这种 极化形式就不存在了。
2. 物理量 电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的 分离，使其转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束 缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极
5
第5页/共21页
极板上自由电荷密度： Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E----两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场） 介电材料存在时极板上电荷密度D等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和： 由： D = (Qo+ Q1 )/A 和r= (Qo+ Q1 )/Qo ，得：
11
第11页/共21页
（1） 离子松弛极化
晶格缺陷和玻璃相中存在很多的弱束缚离子，这些离子容易活化迁移，在 热运动过程中，不断从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。
无外电场作用时，这些离子向各个 方向迁移的概率相等，陶瓷介质不 呈现宏观电极性；
在外电场作用下，这些离子向电场方向和反 电场方向迁移的概率增大，在一个或几个离 子范围内作定向运动，以致内部电荷分布不 均匀，而引起极化，使陶瓷介质呈现宏观电 极性。
离于松弛极化的迁移与离子电导不同。离于电导是离子作远程迁移，而离 子松弛极化质点仅作有限距离的迁移，它只能在结构松散区或缺陷区附近移动， 需要越过势垒U松或U’松，由于U松＜U导电，所以离子参加极化的几率远大于参加 电导的几率。
12
第12页/共21页
U’松 U导电
U松
结构正常区
缺陷区
离子松弛极化与离子电导势垒
19
第19页/共21页
各种极化机制比较
极化形式 极化的电介质种类
极化的频率范围 与温度的关系
电子位移 极化
离子位移 极化
离子松弛 极化
电子松弛 极化
转向化
一切陶瓷
直流—光频
离子结构电介质
直流—红外
存在弱束缚离子的玻 璃和晶体陶瓷
钛质瓷、高价金属氧 化物
有机、极性晶体陶瓷
直流—超高频 直流—超高频 直流—超高频
10
第10页/共21页
3. 松弛（或弛豫）极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。 松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在 一定温度下发生极化。 松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建 立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。 松弛极化包括：电子松弛极化和离子松弛极化。
空间电荷 结构不均匀的陶瓷电 直流—高频
极化
介质
无关
温度升高极化增 强 随温度变化有极 大值 随温度变化有极 大值 随温度变化有极 大值 随温度升高而减 小
20
第20页/共21页
谢谢您的观看！
21
第21页/共21页
1
第1页/共21页
本小节内容
极化现象及其物理量 介质的极化机制
2
第2页/共21页
3.1 介质的极化
一、极化现象及其物理量
1. 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－
－
－
－
－ － － －－ －－
真空
E
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
+ ++
++ ++
自由电荷
+ 偶极子 -
束缚电荷
3
++ ++
----
++++ ----
++++
外电场
18
第18页/共21页
空间电荷极化的特点： a) 其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时。 b) 属非弹性极化，有能量损耗。 c) 随温度的升高而下降。因为，温度升高，离子运动加剧，离子扩散就很容易， 因而空间电荷的积聚就会减小。 d) 与电源频率有关，主要存在于直流和低频阶段，高频时，因空间电荷来不及 移动，就没有或很少有这种极化现象。
具有电子松弛极化的介质，其介电常数随频率升高而减小，类似于离子松弛 极化。同样，ε随温度的变化中也有极大值。和离子松弛极化相比，电子松弛极 化可能出现异常高的介电常数。
15
第15页/共21页
4. 偶极子转向极化 具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外
加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极 矩。
3.1 介质的极化
二、介质的极化机制
介质的总极化一般包括四个部分：电子极化、离子极化、偶极子转向极化和空间 电荷极化。
极化的基本形式： 第一种：位移极化----弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。（如电子位移 极化、离子位移极化） 第二种：松弛极化----该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹 性的，需要消耗一定的能量。（如电子松弛极化、离子松弛极化）
D = r Qo /A = r o E 同时， D= oE+P = or E = E (---绝对介电常数）
P= ( - o)E = o ( r- 1) E 电介质的电极化率α：束缚电荷和自由电荷的比例： α =P/oE= (r-1) 得： P= o α E（作用物理量与感应物理量间的关系）
6
第6页/共21页
8
第8页/共21页
1. 电子位移极化 无外电场作用
±
E
+-
在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成 感应电矩而使介质极化的现象称为电子位移极化。
电子位移极化是在原子和离子内部发生的可逆变化，极化建立时间约为1014～10-16 秒。通常不以热的形式耗散能量，不导致介电损耗。
9
第9页/共21页
2. 离子位移极化
X+
－－
E
X-
+
+
离子晶体中，无电场作用时，离子处于正常结点位置并对外保持电中性， 但在电场作用下，正负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态， 电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子。
离子位移极化所需时间大约为10-12～10-13 秒。不以热的形式耗散能量，不 导致介电损耗。
一些陶瓷、玻璃和聚合物在室温下的相对介电常数
材料 SiO2玻璃 金刚石
α-SiC 多晶ZnS 聚氯乙烯
BaTiO3 刚玉
频率范围/Hz 102-1010 直流 直流 直流 60 106 60 (106)
相对介电常数 3.78 6.6 9.7 8.7 3.0 3000 9 (6.5)
7
第7页/共21页
17
第17页/共21页
5. 空间电荷极化（或界面极化）
在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷 区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电荷积聚，形成空间电荷极 化。
由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外电场方向相反的电场，因此这种极 化有时称为高压式极化。
P
----
由于离子松弛极化的建立需要一定的时间（长达10-2～10-5 秒），所 以介质的频率小时，作用大。
因此在无线电频率下(γ=106 Hz)，离子松弛极化来不及建立，因而介 电常数随频率升高明显下降。
14
第14页/共21页
（2） 电子松弛极化 由于晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电
16
第16页/共21页
偶极子转向极化的特点： a) 极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。 b) 形成极化所需时间较长，约为10-2 ～ 10-10 秒，故其εr与电源频率有较大的关 系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其εr减小。 c) 极化率较高，比电子极化率、离子极化率（10-40 F·m2）高得多，约为10-38 F·m2左右。 d) 温度对极性介质的εr有很大的影响：温度过低时，由于分子间联系紧(例如液 体介质的粘度很大)，分子难以转向， εr也变小(只有电子式极化)，所以极性液 体、固体的εr在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，εr又随 温度的上升而减小。
两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比： Qo=CoV
两板间放入绝缘材料时，施加电压不变电荷增加了Q1，有： Qo+ Q1 =CV
相对介电常数r ：电介质引起电容量增加的比例 。 r=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo
电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，在材料表面感应了异性电荷， 它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电荷的作用，在同一电压下， 增加了电容量。 结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越 大，相应电容器的尺寸可减小。
子。电偶极矩=ql（单位：库仑·米），电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷，
与外电场方向一致。 质点的极化率： = /Eloc ，表征材料的极化能力。 局部电场Eloc：作用在微观质点上的局部电场。 介质的极化强度P：P=/V，单位介质体积内的电偶极矩总和（或束缚电荷的面 密度）。
4
第4页/共21页
3. 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系
（U松－结点上离子迁移需克服的势垒；U’松－填隙离子迁移需克服的势垒）
温度的影 响
一方面，温度升高，松弛过程加快，极化建立得更充分些，这时ε可
升高；另一方面，温度升高，极化αT下降（热运动的影响增强）， 使ε降低。所以在适当温度下ε有极大值。
13
第13页/共21页
离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常 数。
3.1 介质的极化
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于 1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。 陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有 特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介 质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用。 电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。 目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特 别是温度范围。
子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成弱束缚电子。 电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动，造成
电荷分布不均匀，形成极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过程， 所以叫电子松弛极化。
电子松弛极化建立的时间约10-2～10-9 秒，当电场频率高于 109 Hz时，这种 极化形式就不存在了。