材料物理 电介质物理
高中物理竞赛讲义-电介质
电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
第二章_电介质材料
22
低介电陶瓷配方
23
3. II型介电陶瓷 分类：分为强非线性和弱非线性瓷两种 主要要求：大的介电常数，温度稳定性好(往往相矛盾) 介电常数与温度关系：
24
配制原则： 选用自发极化很强的铁电陶瓷＋移峰剂＋压峰剂 4. III型介电陶瓷 分类： 表面型介电陶瓷： 表面型介电陶瓷 阻挡层型： 阻挡层型：以金属电极与半导体表面所形成的 阻挡层作为介质层 氧化层型：以半导体瓷表面的氧化层作为介质 氧化层型： 层 晶界层型介电陶瓷：半导体晶粒具有良好的导电性， 晶界层型介电陶瓷 以绝缘性的晶界层作为工作介质 25
12
微波介质材料
微波介质谐振器优点： 微波介质谐振器优点： (l)小型化 高介电常数 小型化(高介电常数 小型化 高介电常数) 众所周知，微波设备实现小型化、 众所周知，微波设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微 波电路的集成化。在微波电路集成化的进程中， 波电路的集成化。在微波电路集成化的进程中，金属波导实现 了平面微带集成化，微波管实现了小型化。但是，微波电路中 了平面微带集成化，微波管实现了小型化。但是， 各种金属谐振腔由于体积和重量太大，难以和微带电路相集成， 各种金属谐振腔由于体积和重量太大，难以和微带电路相集成， 解决这一困难的出路在于使用微波介质陶瓷材料制作谐振器。 解决这一困难的出路在于使用微波介质陶瓷材料制作谐振器。 已经知道， 已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成 反比。所以电介质材料的介电常数越大， 反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷 块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。因此，微波介质陶瓷材 块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。因此， 料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化， 料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化，可使滤波器 同微波管、微带线一道实现微波电路混合集成化， 同微波管、微带线一道实现微波电路混合集成化，使器件尺寸 13 达到毫米量级，其价格也比金属谐振腔低廉得多。 达到毫米量级，其价格也比金属谐振腔低廉得多。
电介质物理知识点总结
电介质物理知识点总结电介质是一类具有不良导电性能的材料，可用于电容器、绝缘体等应用中。
电介质物理是研究介质在电场作用下的电学性能的科学。
电介质物理是电磁场理论和介质物理学的重要组成部分。
下面我们将对电介质物理的相关知识点进行总结和展开。
1. 电介质的基本性质电介质是一种不良导电性能的材料，通常包括固体、液体和气体。
电介质的主要特点是在外电场作用下会发生极化现象。
极化是指介电极化，即在电场作用下使介质内部出现正负电偶极子的排列现象，从而使介质产生极化电荷。
常见的电介质包括空气、水、玻璃、塑料等。
2. 电介质的极化过程当电介质处于外电场中时，介质内部的正负电荷将发生位移，使介质被极化。
电介质的极化过程可分为定向极化和非定向极化两种类型。
其中，定向极化是指在介质中存在有定向的分子或离子，当外电场作用下，这些分子或离子会按照一定方向排列，这种极化过程被称为定向极化；非定向极化是指介质中的分子或离子并不具有固定的方向排列，当外电场作用下，这些分子或离子将发生不规则的排列，这种极化过程被称为非定向极化。
极化过程使介质产生极化电荷，从而改变了介质的电学性能。
3. 介质极化的类型根据介质极化的不同类型，可以将极化过程分为电子极化、离子极化和取向极化。
电子极化是指在电场的作用下，介质中的电子云将出现位移，从而使整个分子或原子产生极化；离子极化是指在外电场作用下，介质中的阴离子和阳离子将发生位移，产生极化现象；取向极化是指在电场作用下，具有一定取向的分子或离子将产生极化现象。
不同类型的极化过程会影响介质的电学性能。
4. 介质极化与介电常数介质的极化现象将改变介质的电学性能，其中介电常数是一个重要的参数。
介电常数是介质在外电场作用下的电极化能力的体现，介电常数越大，介质的电极化能力越强。
介电常数的大小将影响介质的导电性、电容性等电学性能。
5. 介电损耗介质在外电场作用下会产生能量损耗，这种现象被称为介电损耗。
介电损耗会导致介质内部的吸收能量和产生热量，从而影响介质的电学性能。
材料物理第六章
介电系数是综合反映介质内部电极化行为的 一个主要的宏观物理量。一般电介质的值都在10 以下，金红石可达110，而铁电材料的值可达到 104数量级。高介电材料是制造电容器的主要材 料，可大大缩小电容器的体积。陶瓷、玻璃、聚 合物都是常用的电介质，表6-1中列出了一些玻 璃、陶瓷和聚合物在室温下的相对介电常数。需 要说明的是，外加电场的频率对一些电介质的介 电常数是有影响的，特别是陶瓷类电介质。
12
13
14
电介质的极化有3种主要基本过程：（极化 的机制） （1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化 （电子位移极化）； （2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化 （离子位移极化）； （3）分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转 向极化。 6.2.1电子位移极化 在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对 于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产 生相对位移。这种极化称为电子位移极化。 15
在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原 子所带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。 在电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云 发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程），中 性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电 子形变极化，如图6.1所示。
图6.1 电子云位移极化示意图 (a) E=0 (b) E≠0
为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱
卤化物晶体就是如此。图6.2所示是位移极化的简化模
型。
21
图6.2 离子极化示意图
22
与电子位移极化类似，在交变电场作用下， 由正、负离子的位移可导出离子位移极化率
（6-4）
可见，离子位移极化和电子位移极化的表达式类
第四章-1 电介质材料 (基础知识)
+q 原子核
电子云 -q
E0 0
电子位移极化模型图
E0
电子位移极化产生的感应偶极矩： μe αe Ee
αe 为电子极化率： αe
40 r 3
（电子位移极化率的数量级为10-40 F.m2）
电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径 r 越大，电子离原子核 越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。
电子位移极化率与温度无关：温度的高低不足以改变原子或离子的半径。
电子位移极化建立的时间很短，约在10-14 ~ 10-16 s范围；如果所加电场为交变
电场，即使电场频率高达光频，电子位移极化也来得及响应。
电子位移极化存在于一切介质中。
实验测量得到的 α e 值并不严格等于
3 40 r 3 ，不同原子和离子 αe / 40 r
S d
Q'
r -1Q0
S
r -1UC0
S
r -1U 0 S
d S
εr Q0 Q ' Q' 1 Q0 Q0
Q0 U
r - 1 0 E
P n 0Ee
n 0Ee r 1 0E
提高电介质的介电常数：
提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取极化率 大的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。
极性介质 — 组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有
固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和 为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零， 电介质对外表现出感应宏观偶极矩：取向极化
电介质物理与材料
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。
电致伸缩
压电性
思考题
热电性 铁电性
电介质的概念、属性及电子结构特点
电介质物理主要研究内容
电介质物理的基本科学问题
电介质大家材好 料的分类
26
结束
大家好
27
电介质
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。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
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）
大家好
3
1.2 电介质物理研究特点
电场频率增大时形：
转向极化逐渐跟不上外场的变化，介电常数变为复数，介质中电 场能量出现损耗，称为介电损耗。
频率进一步增加-——高频电场时：
转向极化失去作用，介电常数减大家小好。
22
材料结构、电子结构、极化机制与介电性能
在红外线波段： 电介质正、负电中心的固有振动频率往往与外场频率一致， 产生共振，电介质对红外线强吸收。 介电常数实部和虚部随频率发生大起大落的变化。
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。
物理学中的电介质物理学理论
物理学中的电介质物理学理论电介质物理学理论是指在电学领域中，研究非金属材料在电场中的响应性质的学科，其研究的对象是电介质。
电介质是指在外界电场作用下，会将电能转换为其他形式的非导体材料。
电介质广泛应用于电子学、通信、电力等领域，是现代电子科技中不可或缺的一部分。
1. 电介质物理学理论的基础知识电介质在外界电场下会发生极化现象，也就是说，电介质中的电子、离子、偶极子等会产生相应的分布。
这种电荷分布会影响电介质中的电场分布，从而影响电介质物质的响应。
电介质分为线性电介质和非线性电介质，线性电介质遵循线性关系，而非线性电介质不遵循线性关系。
另外，电介质的极化可以分为自发极化和强制极化。
自发极化是指电介质中存在自发极化矢量，在无外界电场的作用下也会存在极化现象。
而强制极化是指电介质在受到外界电场的作用下，会出现新的极化矢量，这种极化是强制性的，与电介质自身性质无关。
2. 电介质的电容与介电常数对于一个电介质，其电容和介电常数是两个非常重要的参数。
电容指的是电荷与电势之间的比例关系，即电容等于电荷与电势的比值。
介电常数是电介质中电场强度与电位移密度之间的比值，介电常数越大，则电介质极化相对来说就越明显。
需要注意的是，电介质的介电常数会随着温度和频率的变化而变化。
在高温下介电常数通常会降低，而在频率高于1MHz时介电常数也会下降。
3. 非线性电介质的应用非线性电介质的特点是其电极化与电场的关系不是线性的，当电场强度超过一定阈值时，电介质中会出现非线性响应。
非线性电介质具有频率倍增与和谐倍频等非线性效应，被广泛用于激光技术、雷达通信以及图像处理等领域。
例如，二极管光谱翻转技术，通过在非线性晶体中将激光脉冲和稳态激光序列合并，可以生成高质量的超短脉冲。
4. 结语在科技不断进步的今天，电介质物理学理论正作为电子学、通信、电力等领域的重要组成部分，不断发掘和发展着。
通过系统而深入地学习电介质物理学理论，人们可以更好地理解各种电介质材料的性质，并将其应用于实际生活中的各种领域。
解析高中物理中的电介质问题
解析高中物理中的电介质问题电介质是高中物理中一个重要的概念，它在电场中起到了关键的作用。
本文将从电介质的定义、性质、应用以及相关实验等方面对电介质问题进行解析。
一、电介质的定义与性质电介质，顾名思义，就是在电场中表现出介质性质的物质。
与导体不同，电介质无法自由地传导电荷，但它们可以被电场所影响。
电介质通常是由分子或离子组成的，其中的电荷在电场的作用下会发生移位。
电介质的性质主要包括介电常数、极化和电容等。
介电常数是描述电介质相对于真空而言的电场效应的量度。
它越大，电介质在电场中的受力就越强。
极化是电介质中分子或离子在电场作用下发生的电荷分布的变化，使得电介质形成正负电荷分布。
而电容则是描述电介质储存电荷的能力。
二、电介质的应用电介质在现实生活中有着广泛的应用。
首先，电介质常被用于制造电容器。
电容器是一种能够储存电荷的装置，其中的电介质起到了隔离和储存电荷的作用。
电容器的应用非常广泛，例如在电子设备中用于储存电能、平衡电流等。
其次，电介质还常被用于绝缘材料。
绝缘材料是指能够阻止电流通过的物质，它们主要依靠电介质的隔离能力来实现。
绝缘材料在电力系统中起到了至关重要的作用，例如电线的绝缘层就是使用电介质制成的。
此外，电介质还可以用于调节电场分布、制造电子元件等。
通过选择不同性质的电介质，可以实现对电场的控制和调节，从而满足不同的工程需求。
三、电介质相关实验为了更好地理解电介质的性质和行为，我们可以进行一些相关的实验。
例如，可以通过实验探究电介质的极化现象。
首先，将一个电介质放置在均匀电场中，然后观察电介质中的分子或离子的电荷分布变化。
我们可以使用电容器来实现这个实验，通过测量电容器的电容变化来研究电介质的极化过程。
另外，还可以进行电介质的介电常数测量实验。
这个实验可以通过测量电容器在不同电介质中的电容变化来完成。
首先，将电容器充电至一定电量，然后将不同介质填充到电容器中，测量电容变化，从而得到不同介质的介电常数。
第九章-电介质材料
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。
18
常用电介质材料的相对介电常数
真空
空气
石蜡
玻璃
石英
乙醇
水
1.00000
例如，CO2 H2 N2 O2 He
②有极分子（Polar molecule）
在无外场作用下存在固有电矩
例如，H2O Hcl CO SO2
因无序排列对外不呈现电性。
5
二、极化的微观机制
（1）无极分子： 正负电荷重心重合， u分子 0
位移极化
E0
+
-
感应偶极矩
例如， He、H2、
N2、 CO2 、CH4等。
11
(5). 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；
在电场作用下，在障碍处，自由电子积聚，原先
混乱排布的正、负自由电荷分别向负、正极运动，使
得正极积聚较多的负电荷，负极附近积聚较多的正电
荷，从而出现电偶极矩，形成空间电荷极化，一般为
αi
➢ 离子位移极化：T 升高，离子间距膨胀，极化率增加；
➢ 偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向
性增强，极化率下降；
➢ 自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。
32
电介质的介质损耗
在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（εs）。
第三章 电介质材料 (基础知识)
为晶格常数， （a为晶格常数，晶体密堆积时 a ≈ r + + r −）
（离子位移极化率的数量级为10-40 F.m2） 离子位移极化率的数量级为 离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微； 离子位移极化率随温度的升高而增大，但增加甚微； 离子位移极化对外场的响应时间也较短，约为 离子位移极化对外场的响应时间也较短，约为10-12 ~ 10-13 s。 响应时间也较短 。
v
v v P = n0 µ
v E e ：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场； 作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；
v v µ = αEe
α
：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。 极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。 微观参数
第三章
电介质材料
3-1 电介质物理基础知识 3-2 电容器介质材料 3-3 压电材料和热释电材料
3-1 电介质物理基础知识
3-1-1 电介质及其极化 3-1-2 电介质的介质损耗 3-1-3 电介质的电导和击穿 3-1-4 电介质材料的非电性能
电介质材料的四个基本参数： 电介质材料的四个基本参数：
εr -1 n0α = εr + 2 3ε0
称为克 莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下， 称为克 — 莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下，联系电介质极化 宏观参数与微观参数的关系式。 宏观参数与微观参数的关系式。
2.4 电介质极化的类型 电子位移极化、离子位移极化、 电子位移极化、离子位移极化、 偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、 偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化
+
电介质基本物理知识
第一章电介质基本物理知识电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。
在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。
目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作经验来进行解释和判断。
第一节电介质的极化一、极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。
当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。
电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。
（一）电子极化电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为1015 s。
它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。
（二）原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。
离子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形成正负电荷距离。
原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。
因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为1013-s。
（三）偶极子转向极化电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它的正负电荷作用中心不重合。
当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观的看，电介质不呈现极性。
在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。
物理课件 电介质1
p ql
p
H Cl
HCl
方向：由负电荷中心指向正电荷中心。
3
水、氨、一氧化碳、氯化氢等分子即为有极分子。
p
O
NH
H Cl
H
HCl
Hp
HpH
无极分子：分子的正电荷中
心与负电荷中心重合。等效
电偶极矩为零。如氦、氮、
He
甲烷的分子。
H
C H
H
H
CH4
4
1.电介质极化
无极分子电介质的“位移极化” 无极分子电介质在外部电场作用下，分子中的电子云分布 将偏离球对称，于是每个分子都出现电偶极矩p = ql，而且它们 都倾向于朝外电场E 的方向排列，因而显示出宏观电偶极矩.
P np nql
8
极化电荷(Bound Charges)
•
Electric
U (r )
potential 1 p
4 π0
produced
(r r')
r
r'
3
by
a
dipole
• The potential due to the superposition of all
U
(r )
dipoles
（2）*或如果已知电容器两 极板的电势差△U=U+-U-， 求各点的总电场强度.
24
[解]
(1)介质板左、右两面的极化电荷面密度分别为 p P
这些极化电荷在介质板内产生的附加电场
E'
p 0
ez
P
0
ez
介质板内的总电场
E2
E0
E'
f
0
ez
P
材料物理材料的介电性能PPT课件
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
电介质基本物理知识
第一章电介质基本物理知识电介质(或称绝缘介质)在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。
在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。
目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠实验结果和工作经验来进行解释和判断。
第一节电介质的极化一、极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。
当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型:第一种类型的极化为立即瞬态过程，是完全弹性方式，无能量损耗，也即无热损耗产生；第二种类型的极化为非瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。
电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。
(一)电子极化电子极化存在于一切气体、液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为10-15S。
它与频率无关，受温度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。
(二)原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电场中时，其正、负电荷作用中心就分离，形成带有正、负极性的偶极子，见图1-1(a)。
该图是一个氢原子的电子极化示意图，图中d 表示原子在极化前后，其正、负两电荷作用中心的距离。
离子式结构的电介质(如玻璃、云母等)，在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正、负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，见图1-1(b)图中d1表示正、负电荷之间的距离。
图1-1极化基本形式示意图(a)电子位移极化；(b)离子位移极化；(c)偶极松弛极化原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。
因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场一消失，它们立即就像弹簧一样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为10-13 S。
材料物理04 电介质物理
4. 材料的介电性
4.1 电介质概述
• 在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性线性 均匀电介质在电场中的行为。 • 所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生 变化， • 所说的各向同性是指电介质的参数不随场量的方 向发生变化， • 线性是指电介质的参数不随场量的数值发生变化。
4. 材料的介电性
Response is still slower
（弛豫极化）
空间电荷极化(Space Charge Polarizability)
Response is quite slow, τ is large
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
一、基本介电关系
电介质极化的宏观参数与微观参数的关系 • 从微观上, 极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶 极矩的向量和, P = n0., • 对线性极化, =Ee, ---原子分子离子的极化率, Ee---有效 电场
P n 0 E e
如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相 同的小电流（I= iCV+GV）通过
iCV
设电导G仅由自由电荷产生，则: G=S/d , 由于电容: C=l S/d
V
则电流密度: il* E
j=(il + )E= *E=
复电导率* 的定义： *= il + 复介电常数的定义： l*= * / i= l - i /
* r
' r
i
" r
• 其中， 0 表示损耗，称为损耗因子，是表示电介质 损耗的特征参数，其中 为电导率。在实际应用中，通常用 损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗，
材料物理学
介质的电极化响应理论
（1）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机构 ）恒定电场中电介质的电极化， （2）洛伦兹的有效场 ） （3）变动电场中电介质的行为（即介电损耗） ）变动电场中电介质的行为（即介电损耗） （4）介电弛豫 ） （5）谐振吸收和色散 ） （6）电极化的非线性效应等。 ）电极化的非线性效应等。
6.2.1.3固有电矩的转向极化 Байду номын сангаас.2.1.3固有电矩的转向极化
若分子具有固有电矩，而在外电场作用下， 若分子具有固有电矩，而在外电场作用下，电 矩的转向所产生的电极化，称为转向极化P 矩的转向所产生的电极化，称为转向极化Pd 。 许多电介质，例如一些有极性的液体， 许多电介质 ， 例如一些有极性的液体 ， 具有 较大的介电常数， 较大的介电常数 ， 这是与其中存在固有电矩有 关的。 如果分子只有固有电矩， 关的 。 如果分子只有固有电矩 ， 则在外电场作 用下， 它们将趋于转到与外场平行的方向， 用下 ， 它们将趋于转到与外场平行的方向 ， 使 介质的极化强度增大。 特别重要的是， 介质的极化强度增大 。 特别重要的是 ， 由于固 有电矩间的相互作用具有长程的性质． 有电矩间的相互作用具有长程的性质 ． 一个分 子的转向会带动周围许多分子的转向。 这样， 子的转向会带动周围许多分子的转向 。 这样 ， 会使得介电常数具有较大的数值。 会使得介电常数具有较大的数值。
下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向， 下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向， 从 而 求 出 其 极 化 率 αd ， 在 这 里 的 初 步 考 虑 将忽略固有电矩的相互作用， 中 ． 将忽略固有电矩的相互作用 ， 实际上这只 适用于稀疏情况下的气体。 适用于稀疏情况下的气体。 气体包含大量相同的分子， 气体包含大量相同的分子 ， 而每个分子的出 有电矩为μ 在没有外电场作用时． 有电矩为 μ 。 在没有外电场作用时 ． 由于热运 这些电偶极子的排列是完全无规则的， 动 ． 这些电偶极子的排列是完全无规则的 ， 因 而就整个气体来看， 并不具有电矩， 而就整个气体来看 ， 并不具有电矩 ， 当加上外 电场ξ 每个电矩都受到力矩的作用， 电场 ξ 后 ， 每个电矩都受到力矩的作用 ， 趋于 同外场平行， 即起于有序化， 同外场平行 ， 即起于有序化 ， 另一方面热运动 使电矩无序化。 使电矩无序化 。 可见同时存在有序化和无序化 相矛盾的两个方面。 相矛盾的两个方面 。 在一定的温度和一定的外 两方面的作用达到暂时的互相平衡。 场ξ下．两方面的作用达到暂时的互相平衡。
第九章-电介质材料
U
Q'd Q' P Sd S
S 1 U r 0 r - 1Q 0 r - 1UC 0 d S S S
εr
Q 0 Q' Q' 1 Q0 Q0
P r -1 0 E
P n 0Ee
n 0Ee r 1 0E
Q0 C0 U ε0 S C0 d
E1
E3
+++
E2
E外
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。 27 作用于介质中质点的内电场
⑥ 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀 极化时，整个电介质总的感应偶极矩：
S
Q' d
μ Q' d
极化强度：
复介电常数的实部反映介质的储存电荷的能力； 复介电常数的虚部是由材料内部的各种极化跟 不上外高频电场变化而引起的弛豫现象，代表 着材料的损耗项。物理意义是单位体积介质中 当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能 量通常转化成热能而耗散掉。
22
③多相系统电介质材料的介电常数
如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时， 其混合物的介电常数为：
性增强，极化率下降；
自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。
32
电介质的介质损耗
在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（εs）。
电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟，
5
（1）无极分子： 正负电荷重心重合， u分子 0
位移极化
E0
二、极化的微观机制
材料物理性能名词解释
电导率：当施加的电场产生电流时电流密度正比于电场强度，其比例常数即电导率.超导：在一定的低温条件下，金属突然失去电阻的现象。
电介质：在电场作用下能被极化的物质，通常是指电阻率大于1010Ω·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材料.正压电效应：晶体受机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷（正负电荷中心不重合),其电荷密度大小与所加应力成线性关系.逆压电效应：晶体在外电场激励下，某些方向产生形变的现象,形变与电场强度成线性关系.电致伸缩:电介质在外电场的作用下，发生尺寸变化即产生应变现象,起应变大小与所加电压的平方成正比。
相对电导率:把国际标准退火铜在20℃时的电导率（电阻率为0．017241Ωmm2/m，电导率为58．0M S/m）作为100%，其他材料与此导电率的比值（百分数)。
热焓:等压过程中,质量为m的物体从0K升高到T时所需的热量。
平均热容：单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量.真实热容：物体吸收或放出的热量在数值上等于物体的焓变。
定压热容：等压条件下单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量.定容热容：等容条件下单位质量的物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量。
摩尔热容：1mol物质在没有相变、没有化学反应的情况下每升高一度所需热量。
热传导：由于材料相邻两部分间的温差而发生的能量迁移与传递。
热电性：在金属导体组成的回路中，存在温差或通以电流时,会产生热与电的转换效应.K状态：回火过程中发现含过渡族合金的电阻有反常升高(其他物理性能,如热膨胀效应、比热容、弹性、内耗等也有明显变化)。
冷加工时发现合金的电阻率明显降低。
托马斯（Thomas）最早发现这一现象,并把这一组织状态称为K状态。
不均匀固溶体：由x射线分析可见,固溶体中原子间距的大小显著地波动，其波动正是组元原子在晶体中不均匀分布的结果，所以也把K状态称之为“不均匀固溶体”。
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有偶极矩的分子组成
化学结构不对称，介电常数εr=2.6～80,体 强极性电介质,μ0>1.5D
电阻率高于非极性电介质
石英，云母，金红石型离子晶体
离子性电介质: 通常由正负离子组成 玻璃陶瓷
介电常数较大，较高的机械强度
其他无机电介质
h
6
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
说明：
注意: 介质极化也有均匀 极化与非均匀极化之分。
IQ IQ UCp
IPIQ tgU C ptg
h
23
电介质的损耗
介质损耗 pSPd0rE2tg
由于 UEd
Cp
0 r
S d
PUIpU2Cptg
介质损耗角正切 t g 的意义
① 当 ，恒E定时， tg ， p ； tg ， p ；
② t g 是 描述交变电场作用下介质损耗的宏观参数；
③ t g 的研究对介质的研究很有意义。
离子晶体
h
13
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
一、基本介电关系
• 在各向同性的线性电介质中, 极化强度P与电场强度E成正比， 且方向相同，即 P = 0E
---电介质的极化率， 对于均匀电介质是常数，对于非均匀 电介质则是空间坐标的函数。定量表示电介质被电场极化 的能力，是电介质宏观极化参数之一。
• 在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性线性 均匀电介质在电场中的行为。
• 所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生 变化，
• 所说的各向同性是指电介质的参数不随场量的方 向发生变化，
• 线性是指电介质的参数不随场量的数值发生变化。
h
2
4. 材料的介电性
4.1 电介质概述
二、电介质材料
• 高频电容器陶瓷（即I类介质陶瓷）和微波介质陶瓷，通 常都是线性电介质。
h
15
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
一、基本介电关系
电介质极化的宏观参数与微观参数的关系
• 从微观上, 极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶
极矩的向量和, P = n0.,
•
对线性极化, 电场
=Ee, ---原子分子离子的极化率,
Ee---有效
Pn0Ee
r1n0Ee/0E
上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(、r、E）与
Response is fast, τ is small
离子位移极化（Ionic Polarizability）
Response is slower
取向极化 （弛豫极化）
偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）
Response is still slower
空间电荷极化(Space Charge Polarizability)
• 而铁电体（铁电陶瓷）则表现出电学非线性，通常称为非 线性电介质。
• 单晶材料为各向异性电介质，陶瓷材料通常被视为各向同 性电介质，但经极化处理后的压电陶瓷则表现出各向异性。
• 各向异性电介质通常用张量来描述其物理性质。
h
3
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
一、电介质的极化定义
• 导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。 但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价 键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电 荷。
h
21
电介质的损耗
交变电场作用下,除了泄漏电流
I
，还有极化电流
IR
I IP IQ I
IQ Ip Rp
Cp
只用 v 来描述就不够了，必须要用其它量来描述介质的 品质，即介质损耗角正切 t g （loss factor）
h
22
Ip
IQ
I
电介质的损耗
是电压U与电流I的
相位差
U 图3-3
tg tan IP
➢ 3高场强的应用越来越多，如电子器件，电压不高 场强高，高场强问题多。
介电性能的温度特性对于介电材料的实际应用至关重要，
如介电常数温度系数是衡量电介质陶瓷性能的重要指标之
一。
h
12
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
• 不同电介质因极化机制不同, 通常表现出不同介电 常数.
气体: 单原子, 电子位移极化, r = 1+ n0/0 极性分子气体: =e+=e+02/3KT 非极性液体和固体电介质, r=22.5 极性液体电介质, =e+=e+02/3KT,r>2.5
• 电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极 化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：
V
P lim
V
• 极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2)
h
宏观上无限小微观 上无限大的体积元
V
pi
每个分子的 电偶极矩 5
电介质的极化
电介质物理
电介质
按正负电荷 和分布特性 可分为
无外电场作用时，由正 非极性电介质：负电荷中心重合，电偶
Eb E
U 图5-1 电介质击穿时 b
U
的伏安特性示意图
介质击穿判据：在图5-1中h， j-E或I-U曲线上dI/dU3=2 ∞
Eb ,Ub的意义和作用
➢ 1电介质的基本电性能参数之一，代表了电介质在 电场作用下保持绝缘状态的极限能力。
➢ 2绝缘损坏是造成电力设备、电力系统事故的主要 因素，约占70%。
1.真空中 P = 0 ，真空中无电介质。 2.导体内 P = 0 ，导体内不存在电偶极子。
3. 电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程 度，排列愈有序说明极化愈烈
h
7
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
二、极化类型
弹性位移极化 （瞬时极化）
电子位移极化（Electronic Polarizability）
h
18
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
四、介电损耗
• 电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其 它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的 电能叫介质损耗。
电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其 它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的 电能叫介质损耗。
h
19
电介质的损耗
电介质的损耗
在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量
电导损耗
产生原因
松弛极化 典型的为偶极子转向极化
h
20
电介质的损耗
在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流 I R
P
U
IR
U2 R
R
v
d S
P
E2 d2
v
d S
1
v
E2
Sd
p P E2 E2 V v
∴ 在直流电压作用下，介质损耗决定于 v (。 )
• 在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对 位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产 生感应偶极矩。在外电场作用下, 电介质内部感生偶极矩的 现象，称为电介质的极化。
• 注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，
完全是由特殊晶体结构诱发的h 。
4
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗，
tan
" r
' rh
17
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
三、介电弛豫
弛豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或 受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统 再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程 就称为弛豫过程。
弛豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用 而交换能量，最后达到稳定分布的过程。弛豫过 程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的 性质。因此，研究弛豫现象是获得这些相互作用 的信息的最有效途径之一。
离子位移极化率与正负离子半径和的立方成正比，与电子 位移极化率有大体相同的数量级，随温度升高，离子间距 离增大，相互作用减弱，力常数K减小，因此离子位移极化 率随温度升高而增大，但增加甚微。
偶极子取向极化率与温度成反比，随温度升高而下降。偶极子 取向极化率比电子位移极化率大得多，约为10－38 F.m2.。
松弛损耗 结构损耗
热离子损耗
h
28
电介质的损耗
3、陶瓷介质
①瓷——较常用 绝缘子 ②玻璃
③有机——复合的 陶瓷：不均匀结构，含三相①结晶相，②玻璃相，③气隙
1、富含玻璃态的陶瓷，大量玻璃相和少量微晶结构，
如普通绝缘瓷，tan 大。
a 玻璃相中离子电导损耗 b 结构较送的多晶点阵结构引起的松弛损耗 c 气隙含水一起的界面附加损耗
h
24
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
h
25
固体电介质的损耗
电介质的损耗
一、固体的无机电介质
无机晶体—— r 较1 0小，损耗主要来源于电导损耗。 如食盐Nacl晶体，石英，云母等。
只 有 e 和 a ， r n 2 ,g 0
损耗主要来自电导 tan0 r1 .8 1 0 1 0f1 r( 1)
击穿场强——电介质所能承受的不被击穿的最大场强。
击穿电压——电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。
h
31
电介质的击穿 电介质击穿
I,j
1 概述
j E
j j0ed
B
j AE2e E
or
j
j eC(EE2
0
电介质电导突然剧增，绝缘状态变 为导电状态这一跃变现象