材料结构与介电
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)。
——外电场作用下，使弱束缚电子运动具有方向性，形成极化状态。 ——弱束缚电子：晶格缺陷，如：热振动，杂质，可使电子状态发生改
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
3 /46
3. 介质的极化强度
——定义介质极化强度为介质单位体积内的电偶极矩之和：
p μ /V，（C/ m2）
——当已知质点密度n，质点电偶极矩，质点极化率，则极化强 度可以表示为：
p n n / Eloc
——实验证明，电极化强度不仅和外加电场有关，也和极化电荷产 生的电场有关，也即与电介质处的实际宏观有效电场E成正比。
5.4 介电强度 5.4.1 介质在电场中的破坏 5.4.2 介质击穿机制 5.4.3 无机材料击穿的影响因素
5.5 铁电性 5.5.1 晶体的自发极化与铁电性 5.5.2 BaTiO3自发极化微观机 理
5.5.3 铁电畴结构 5.5.4 电滞回线与电畴结构理论 5.5.5 铁电体的性能及其应用 5.6 压电性 5.6.1 压电效应 5.6.2 压电振子及其参数 5.6.3 压电性与晶体结构 5.6.4 压电材料及其应用
Eloc
E外
E1
1
3 0
pE 1
Leabharlann Baidu3 0
p
洛仑兹关系
2. 克劳修斯－莫索堤方程
p e0E 0 ( r 1)E 又 Eloc E p / 30
Eloc E 0 (r 1)E / 30 E (r 1)E / 3 (r 2)E / 3
当已知质点密度n及质点极化率，则有
p nEloc n (r 2)E / 3，又 p 0 (r 1)E r 1 n ，克劳修斯－莫索堤方程
V
V
A
--
++
Q
Q
d 真空平板电容器
法拉第发现，某些材料插入真
空电容器，电容量增加r倍。 - +
-+
C rC0 r0 A / d A / d
-+ -+ -+
r为相对介电常数，＝r0为 材料介电常数（F/m)
-+ -+ -+
-- ++ -+ -+ -+ -+
平板电容器中电介质的极化
电介质——平板电容器中能增加电容的材料或电场作用下 能建立极化的材料。
μ ql
-q
l
+q
E
2. 介质中极性分子的电偶极矩
——在外场下，极性分子发生趋于电场方向的转向，此时，电偶极 矩为原极性分子偶极子在电场方向上的投影。
——定义：质点的电偶极矩，或称质点极化率（微观极化率）为：
/ Eloc
Eloc为质点处局部电场，区别于宏观外电场E， 是单位电场强度电偶极矩，是一个标量。
r 2 30
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
5 /46
3. 讨论克劳修斯－莫索堤方程
r 1 n r 2 3 0
——克劳修斯－莫索堤方程建立了宏观参量r，电介质相对介电常数， 和微观参量，质点极化率，及n，质点密度的关系。
——适用于分子间作用力较弱的气体，非极性液体和固体，以及Nacl 型离子晶体，立方对称晶体。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
6 /46
5.2.1 电子位移极化
1. 定义
在外场作用下，原子外围电子云相对于原子核发生位移形成的极化 ——原子中正负电荷重心产生相对位移。 ——电子很轻，可以光频（1016Hz）随外电场变化。
2. 经典理论电子平均极化率
由玻尔原子模型
e
4 3
0 R3，R为原子半径
第五章 介电材料结构与介电行为
5.1 介质的极化 5.1.1 平板电容器及其电介质 极化
5.1.2 极化现象及其物理量 5.1.3 宏观极化强度与微观极
化率的关系
5.2 极化机制 5.2.1 位移极化 5.2.2 松弛极化 5.2.3 取向极化 5.2.4 空间电荷极化 5.2.5 自发极化
5.3 介质损耗 5.3.1 介质损耗表示方法 5.3.2 介质损耗与材料微观结 构
——当存在多种极化质点时，有
r 1 1
r 2 3 0
k
nk k
——高介电常数途径，（1）质点电偶极矩 要大； （2）单位体积内极化质点数n 要大。
5.2 极化机制
介质极化来自三个方面的贡献：电子极化、离子极化、偶极子转向极化。 介质极化基本形式有二种： （1）位移极化——其特点：弹性、瞬时、无能量损耗 （2）松弛极化——与热运动和时间有关、非弹性、耗能、不可逆过程
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
1 /46
5.1 介质的极化 5.1.1 平板电容器及其电介质极化
电容C的物理意义——两个邻近导体加上电压V，具有存储电荷的能力。 C＝Q/V——单位电压存储电荷量（F，库仑/伏特） 已证明真空电容器的电容量主要由二个导体几何尺寸决定。 C0＝0A/d，A为平板面积，d为平板间距，0为真空介电常数（F/m)
——对于各向同性电介质，有
p e0E
E为宏观有效电场强度，e为宏观电极化率（单位为1） 可以证明有：
e r 1，或r 1 e
p 0 (r 1)E
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
4 /46
5.1.3 宏观极化强度与微观极化率的关系 1. 宏观有效电场（实际有效电场E）
——实际有效电场E
＝外加电场E外＋退极化场E1（极化强度P产生的电场） ——可以证明：
3. 量子论电子极化率
e
e2 m
fj
2
j
j0
fj为电偶极子跃迀振子强度，j0与跃迀能隙有关，j与能级分布 有关，m为电子质量。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
7 /46
5.2.2 离子位移极化
1. 定义
离子在外电场作用下，偏离平衡位置的移动，而产生的极化 ——也可理解成离子晶体中离子间的结合键在外电场作用下 被拉长。
电介质的极化——电介质在电场作用下产生感应电荷的现 象。r反映了电介质的极化能力。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
2 /46
5.1.2 极化现象及其物理量 1. 极化的物理本质
——介质中质点（原子、分子、离子）的正负电荷重心分离，从而 转变成偶极子。
——设：正负电荷位移矢量 l，则定义偶极子的电偶极矩， 方向从 负电荷指向正电荷，与外电场方向一致。
2. 经典弹性论离子位移极化率
i
a3 4
n 1
0
A为晶格常数，n为电子层斥力常数，离子晶体n=7～11
3. 极化建立时间
离子质量远大于电子质量，极化建立时间较长，约为10-12～10-13s。 ——与晶格振动光学模频率（红外区）符合。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
8 /46
5.2.3 电子松弛极化 Te 1. 定义弱束缚电子极化
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
3 /46
3. 介质的极化强度
——定义介质极化强度为介质单位体积内的电偶极矩之和：
p μ /V，（C/ m2）
——当已知质点密度n，质点电偶极矩，质点极化率，则极化强 度可以表示为：
p n n / Eloc
——实验证明，电极化强度不仅和外加电场有关，也和极化电荷产 生的电场有关，也即与电介质处的实际宏观有效电场E成正比。
5.4 介电强度 5.4.1 介质在电场中的破坏 5.4.2 介质击穿机制 5.4.3 无机材料击穿的影响因素
5.5 铁电性 5.5.1 晶体的自发极化与铁电性 5.5.2 BaTiO3自发极化微观机 理
5.5.3 铁电畴结构 5.5.4 电滞回线与电畴结构理论 5.5.5 铁电体的性能及其应用 5.6 压电性 5.6.1 压电效应 5.6.2 压电振子及其参数 5.6.3 压电性与晶体结构 5.6.4 压电材料及其应用
Eloc
E外
E1
1
3 0
pE 1
Leabharlann Baidu3 0
p
洛仑兹关系
2. 克劳修斯－莫索堤方程
p e0E 0 ( r 1)E 又 Eloc E p / 30
Eloc E 0 (r 1)E / 30 E (r 1)E / 3 (r 2)E / 3
当已知质点密度n及质点极化率，则有
p nEloc n (r 2)E / 3，又 p 0 (r 1)E r 1 n ，克劳修斯－莫索堤方程
V
V
A
--
++
Q
Q
d 真空平板电容器
法拉第发现，某些材料插入真
空电容器，电容量增加r倍。 - +
-+
C rC0 r0 A / d A / d
-+ -+ -+
r为相对介电常数，＝r0为 材料介电常数（F/m)
-+ -+ -+
-- ++ -+ -+ -+ -+
平板电容器中电介质的极化
电介质——平板电容器中能增加电容的材料或电场作用下 能建立极化的材料。
μ ql
-q
l
+q
E
2. 介质中极性分子的电偶极矩
——在外场下，极性分子发生趋于电场方向的转向，此时，电偶极 矩为原极性分子偶极子在电场方向上的投影。
——定义：质点的电偶极矩，或称质点极化率（微观极化率）为：
/ Eloc
Eloc为质点处局部电场，区别于宏观外电场E， 是单位电场强度电偶极矩，是一个标量。
r 2 30
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
5 /46
3. 讨论克劳修斯－莫索堤方程
r 1 n r 2 3 0
——克劳修斯－莫索堤方程建立了宏观参量r，电介质相对介电常数， 和微观参量，质点极化率，及n，质点密度的关系。
——适用于分子间作用力较弱的气体，非极性液体和固体，以及Nacl 型离子晶体，立方对称晶体。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
6 /46
5.2.1 电子位移极化
1. 定义
在外场作用下，原子外围电子云相对于原子核发生位移形成的极化 ——原子中正负电荷重心产生相对位移。 ——电子很轻，可以光频（1016Hz）随外电场变化。
2. 经典理论电子平均极化率
由玻尔原子模型
e
4 3
0 R3，R为原子半径
第五章 介电材料结构与介电行为
5.1 介质的极化 5.1.1 平板电容器及其电介质 极化
5.1.2 极化现象及其物理量 5.1.3 宏观极化强度与微观极
化率的关系
5.2 极化机制 5.2.1 位移极化 5.2.2 松弛极化 5.2.3 取向极化 5.2.4 空间电荷极化 5.2.5 自发极化
5.3 介质损耗 5.3.1 介质损耗表示方法 5.3.2 介质损耗与材料微观结 构
——当存在多种极化质点时，有
r 1 1
r 2 3 0
k
nk k
——高介电常数途径，（1）质点电偶极矩 要大； （2）单位体积内极化质点数n 要大。
5.2 极化机制
介质极化来自三个方面的贡献：电子极化、离子极化、偶极子转向极化。 介质极化基本形式有二种： （1）位移极化——其特点：弹性、瞬时、无能量损耗 （2）松弛极化——与热运动和时间有关、非弹性、耗能、不可逆过程
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
1 /46
5.1 介质的极化 5.1.1 平板电容器及其电介质极化
电容C的物理意义——两个邻近导体加上电压V，具有存储电荷的能力。 C＝Q/V——单位电压存储电荷量（F，库仑/伏特） 已证明真空电容器的电容量主要由二个导体几何尺寸决定。 C0＝0A/d，A为平板面积，d为平板间距，0为真空介电常数（F/m)
——对于各向同性电介质，有
p e0E
E为宏观有效电场强度，e为宏观电极化率（单位为1） 可以证明有：
e r 1，或r 1 e
p 0 (r 1)E
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
4 /46
5.1.3 宏观极化强度与微观极化率的关系 1. 宏观有效电场（实际有效电场E）
——实际有效电场E
＝外加电场E外＋退极化场E1（极化强度P产生的电场） ——可以证明：
3. 量子论电子极化率
e
e2 m
fj
2
j
j0
fj为电偶极子跃迀振子强度，j0与跃迀能隙有关，j与能级分布 有关，m为电子质量。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
7 /46
5.2.2 离子位移极化
1. 定义
离子在外电场作用下，偏离平衡位置的移动，而产生的极化 ——也可理解成离子晶体中离子间的结合键在外电场作用下 被拉长。
电介质的极化——电介质在电场作用下产生感应电荷的现 象。r反映了电介质的极化能力。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
2 /46
5.1.2 极化现象及其物理量 1. 极化的物理本质
——介质中质点（原子、分子、离子）的正负电荷重心分离，从而 转变成偶极子。
——设：正负电荷位移矢量 l，则定义偶极子的电偶极矩， 方向从 负电荷指向正电荷，与外电场方向一致。
2. 经典弹性论离子位移极化率
i
a3 4
n 1
0
A为晶格常数，n为电子层斥力常数，离子晶体n=7～11
3. 极化建立时间
离子质量远大于电子质量，极化建立时间较长，约为10-12～10-13s。 ——与晶格振动光学模频率（红外区）符合。
《材料结构与性能》 硕士研究生课程
8 /46
5.2.3 电子松弛极化 Te 1. 定义弱束缚电子极化