无机材料物理性能PPT课件

电子位移极化
弹性模型 +e
-e
建立牛顿方程： ma= -kx - eEoe it 电偶极矩： = -ex= Eoe it{1/[(k/m)o2－ 2]}e2/m 弹性振子的固有频率 ： o=(k/m)1/2 有： = e Eloc 得：
动态
e
e2 m
2 0
1
2
静态
e2 e2
e
m2 0
k
电子位移极化
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF：
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
有立方对称的参考点位置，如果所有原
子都可以用平行的点型偶极子来代替，
则E3 =0。
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据
D= o E+P
得
P =D－ o E=（ 1－ o ） E
= o （ r－ 1） E
由
Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
=E+ o （ r－ 1） /3o
对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：
r r
1 2
1
3 0
nkk
k
三、介质的总极化
第一种，位移极化： 位移式极化------弹 性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。
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。
极化类型
1. 弹性位移极化（电子、离子位移极化） 2. 松驰极化（电子、离子松驰极化） 3. 偶极子转向极化 4. 空间电荷极化 5. 自发极化 6. 高介晶体的极化
－
－
+
+
+
+ +++ +++ +
自由电荷
+ －
偶极子
束缚电荷
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。
离子位移极化
离子位移极化模型
感生的电偶极矩为： =q(δ+－ δ -) = iEloc
正离子受到的弹性恢复力：-k(δ+ － δ -)
负离子受到的弹性恢复力： -k(δ- － δ +)
运动方程：
M+a= - k（δ+ － δ -)+qEoe it
M-a=- k(δ- － δ +) +qEoe it
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
对于固体介质，周围介质 的极化作用对作用于特定 质点上的局部电场有影响。
假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球 外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介 质小得多。
介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分： 球外介质的作用E1 ＋E2和球内介质的作用E3
在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般 为高压式极化。
P
----
++++ ----
+ + + +
----
+ + + +
外电场
空间电荷极化
特点：
其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余 小时。 属非弹性极化，有能量损耗。 随温度的升高而下降，只在直流和低频下发 生。
多晶多相无机材料的极化
两相的介电常数分别为1和2 ，浓度分别为1和 2(1+2=1)。
3) 具有显著离子松弛极化和电子松弛极化的材料， 包括绝缘子瓷、碱玻璃和高温含钛陶瓷。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
得： M*=M+M-/(M++M-)
弹性振子的固有频率 ： o=(k/M*)1/2
离子位移极化率： e =[1/(o2－ 2)]q2/M*
0 静态极化率： i =q2/M* o2= q2 k
离子位移极化
相对运动约化质量（折合质量）
M MM M M
动态
e
q2 M
02
1
2
静态
i
q2
M
2 0
球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外 的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹 场） E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。
E1的计算：
对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：
由
P= Q1 /A= oE1
得：
E1 = P / o
洛伦兹场E2的计算：
rsin P － d O r
玻尔原子模型
e
40 R3
R
离子位移极化
形成极化所需时间极短，约为10-13ｓ，故在一 般的频率范围内，可以认为εr与频率无关； 属弹性极化，几乎没有能量损耗； 温度对离子式极化的影响，存在两个相反的因 素 ：温度升高时离子间的结合力降低，使极化 程度增加，但离子的密度随温度升高而减小， 使极化程度降低。
3、极化率
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。
a
Eloc
(法.米2)
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。 α：反映材料的极化能力，与材料性质有关。
4、极化强度
极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为 极化强度，用P表示。或束缚电荷的面密度。
P
松弛极化
➢离子松弛极化
➢电子松弛极化
➢偶极子松弛极化
热松弛极化率:
T
q 2 2
12kT
转向极化
转向极化的特点:
极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能 收回。 形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，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。 温度对极性介质的εr有很大的影响。
ql
▪ 单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电荷 间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
▪ 电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的 方向与外电场的方向一致。
介质的极化
极化现象
具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－
－
－
－ －－－ －－－ －
+
+
+
－
－
－
真空
+
+
+
E
－
－
－
+
+
+
－
V
(库.米-2)
单位与电荷面密度单位相同。
对平板电容器内的均匀介质，其极化强度等 于极化产生的束缚电荷面密度。
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
P n
• P与宏观平均电场E成正比
P 0E ——电介质极化系数
➢ 宏观电场E
一、是外加电场； 二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和
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，形成一个偶极子。
2、介电常数
▪ 以平板电容器为例。
▪ 真空中，电容器电容C0为：
C0
A
d0
0：真空介电常数8.8510-12F.m-1
▪ 加入电介质后，电容为：
▪ 故有：
C A
d
C C0
0
Q Q0
r
：介质的介电常数 r：相对介电常数
q2 k
k 弹性恢复力常数
松弛极化
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。
1. 松弛极化与质点的热运动有关； 2. 质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚
至更大； 3. 极化建立的时间较长，达10-2～10-9； 4. 极化需要吸收一定的能量。
－－ － － －－ －
E1
外加电场E外
－ － －－ + + ++
++ + + ++ +
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3
+ + + +++++
周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。
－－－
E1 E3 E2 E外
+++
对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。
当两相并联时： x11 x2 2
x x 当两相串联时： 1
1 11
1 22
当两相混合时： ln x1 ln 1 x2 ln 2
陶瓷介质的极化
电工陶瓷按其极化形式可分为：
1) 主要是电子位移极化的电介质，包括金红石瓷、 钙钛矿瓷以及某些含锆陶瓷。
2) 主要是离子位移极化的材料，包括刚玉、斜顽 辉石为基础的陶瓷以及碱性氧化物含量不多的 玻璃。
第七章
电学性能： 电导性能 介电性能
概述
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 前景。
E
E外
E 1
➢ 原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
Eloc E外 E1 E2 E3
E P 1
2
30
E 0 3
Eloc
E
1
3 0
P
二、克劳修斯-莫索蒂方程
外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。
1 . 宏观电场：
即极板上的所有电荷所产生）
构成物体的所有质点电荷的电场之和E1
（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
无机材料与有机塑料比较：
有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，
塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可
缺少的部分。
6.1 介质的极化
一、极化现象及其物理量
1）电绝缘瓷（装置瓷）：主要起固定、 支撑、绝缘、保护等作用。
2）电容器瓷：广泛应用于家电、通信、 工业仪表等领域；如电子电路中的电容 元件、谐振器等。
3）压电陶瓷、铁电陶瓷、热释电陶瓷等： 在电声、电光等技术领域有着广泛的应 用前景。
评价电介质的主要电学性能指标
1）介电常数 2）介电强度 3）损耗因数 4）体电阻率与表面电阻率
▪ 1、极化 ▪ 定义一（宏观）：在外电场作用下，介质表面 产生束缚电荷（极化电荷）的现象称为电介质 的极化。
▪ 定义二（微观）：在外电场作用下，介质内 质点(原子、分子、离子)正负电荷重心分离， 从而转变成偶极子的现象。
▪ 偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电 荷(+q、-q)所组成的系统。为正负偶极总称。其极性 大小和方向常用偶极矩来表示
dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为：
dE由0到的积分
洛伦兹场E2 ：
E2 = P /3o
E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其 值由晶体结构决定，已证明，球体中具
得
Eloc=（ r +2）E/3
设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又
有
得
P= n =nEloc （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） 上式为克劳修斯-莫索蒂方程
克劳修斯一莫索蒂方程
r 1 1 n r 2 30
其意义是表征极化特性的宏观参数----介电常数与微 观参数----分子极化率α联系起来，同时提供了计算 介电性能参数的方法。
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。
电介质主要包括：
1）绝缘体：绝缘，建立电场，防腐蚀， 防辐射；
2）许多半导体：高纯硅和锗，掺杂半导 体（有损耗）；
3）高频下的金属薄膜：高损耗。
对陶瓷而言，电介质陶瓷可包括：
转向极化
转向极化主要发生在极性分子介质中。
根据经典统计，求得极性分子的转向
极化率：
or
2 0
3kT
空间电荷极化
定义：
在电场的作用下不均匀介质内部的正负 间隙离子分别向负、正极移动，引起瓷体内各 点离子密度变化，即出现偶极矩的极化。
空间电荷极化：
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；
电子位移极化
➢电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的 电子云相对于原子核发生位移形成的极化。
形成极化所需时间极短，约为10-15ｓ，故其εr不随频 率变化； 具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合 而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗； 温度对电子式极化影响不大。
电子位移极化
研究电子位移极化，关键是计 算电子极化率，一般有如下两 种模型： •带电粒子间的弹性模型。 •圆周轨道模型(玻尔模型)。