4-电介质物理

4. 材料的介电性
一、基本介电关系
4.3 电介质的物理参数
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.µ, • 对线性极化, µ=αEe, α---原子分子离子的极化率, Ee---有效 电场
P = n 0αE e
ε r = 1 + n0αEe / ε 0 E
2、工程玻璃 工程玻璃
tan δ
结构变松，弱束缚离子增多
电导损耗 松弛损耗 结构损耗 热离子损耗
电介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， δ 大。 tan
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 各向同性线性 均匀电介质在电场中的行为。 均匀电介质 • 所说的均匀 均匀是指电介质的性质不随空间坐标发生 均匀 变化， • 所说的各向同性 各向同性是指电介质的参数不随场量的方 各向同性 向发生变化， • 线性 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
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, εr = 1+ n0α/ε0 ε 极性分子气体: α=αe+αµ=αe+µ02/3KT α α α µ 非极性液体和固体电介质, εr=2∼2.5 ∼ 极性液体电介质, α=αe+αµ=αe+µ02/3KT,εr>2.5 α α α µ ε 离子晶体
P E2 p= = = γ E2 V ρv
在直流电压作用下， ∴ 在直流电压作用下，介质损耗决定于ρ v (γ ) 。
电介质的损耗
交变电场作用下,除了泄漏电流 还有极化电流 交变电场作用下,除了泄漏电流 I α ，还有极化电流 I R
ɺ ɺ ɺ I = I P + IQ
Iɺ IɺQ Iɺp
Rp
Cp
电介质的损耗
ε 无机玻璃——以共价键结合为主，s = ε ∞，g = 0, tan δ =
γ ωε 0ε r
无机玻璃的基本结构SiO2或B2O3形成具有近规则的空间网。 1、纯玻璃 纯玻璃 结构紧密无弱束缚离子，只有很小的电导 σ
−4 石英玻璃 tan δ ≈ 2 ×10 (RT) 3 tan δ < 10−（高频） 硼玻璃
来描述就不够了， 只用 ρv 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 （ 品质，即介质损耗角正切 tgδ loss factor） ）
电介质的损耗
ɺ Ip ɺ IQ ɺ I
δ
δ 是电压U与电流I的 是电压U与电流I
相位差
ϕ
ɺ U
IP tg δ = tan δ = IQ
I Q = U ωC p
I P = I Q tgδ = U ωC p tgδ
电介质的损耗
介质损耗
由于
p=
P = ωε 0ε r E 2tgδ S ⋅d
S C p = ε 0ε r d
U = E ⋅d
P = UI p = U 2ωC ptgδ
介质损耗角正切 tgδ 的意义
① 当 ω，E 恒定时， tgδ ↓ ，p ↓ ；tgδ ↑ ，p ↑ ； ② tgδ 是描述交变电场作用下介质损耗的宏观参数； ③ tgδ 的研究对介质的研究很有意义。
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
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4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化 注意： 注意： • 原子和离子的电子位移极化率与温度无关。
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.。 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。
4. 材料的介电性
一、基本介电关系
4.3 电介质的物理参数
• 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 = χε0E χ---电介质的极化率， 对于均匀电介质χ是常数，对于非均匀 电介质则是空间坐标的函数。χ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。
4. 材料的介电性
四、介电损耗
4.3 电介质的物理参数
• 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。
中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
说明： 说明：
注意: 注意: 介质极化也有均匀 极化与非均匀极化之分。 极化与非均匀极化之分。
1.真空中 P = 0 ，真空中无电介质。 真空中 真空中无电介质。 2.导体内 P = 0 ，导体内不存在电偶极子。 导体内 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
4. 材料的介电性
4.1 电介质概述 一、电介质的定义
电介质的本质特征是以极化 极化的方式传递、存储或记录电场 极化 的作用和影响，介电常数是表征电介质的最基本的参量。 陶瓷的介电性能决定于感应极化的产生及其随时间的建立 过程，而介电常数随频率和温度的变化是决定电介质应用 的重要因素。
4. 材料的介电性
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
• 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
∑µ P = lim
∆V
• 极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2)
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
电介质的极化
电介质物理
4. 材料的介电性
一、基本介电关系
4.3 电介质的物理参数
基本介电关系：电位移矢量与电场强度和极化强度 基本介电关系 之间的关系为: D = ε0E+P, 适用于各类电介质 适用于各类电介质。 D = ε0E+P＝ε0E＋χε0E＝（1＋χ）ε0E, ＝ ＝ 令（1＋χ）ε0 ＝ ε0εr =ε， 则有D = εE, 仅适用于各向同性线性电介质 各向同性线性电介质 ε 和εr分别为电介质的介电常数和相对介电常数。
上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(χ、εr、E）与 微观参数(α、n0、Ee)之间地关系。
4. 材料的介电性
二、介电常数
4.3 电介质的物理参数
• 在交变电场下，由于介质的极化建立需要一定时间，在实 际电介质中会产生损耗，因此介电响应需用复介电常数描 述
ε = ε − iε
* r ' r
" r
电介质的损耗
Nacl晶体的tanδ ，ρ与计算值ρ ′
温度 低频 高频 65oC 276oC
f
50Hz 3×106 Hz
tan δ
6×10-4 3×10-4
ρ (Ω ⋅ m )
1×1010 3.5×106
ρ ′(Ω ⋅ m )
1.4×1011 4×106
结论： 结论：
①
ρ 与 ρ ′ 基本相当；
②高频（2×106 Hz）下，介质损耗也是电导损耗。
取向极化 （弛豫极化） 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)
Response is quite slow, τ is large
4. 材料的介电性
• 各向异性电介质通常用张量来描述其物理性质。
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 自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。 自由电荷 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 束缚电 荷。 • 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 在外电场作用下, 在外电场作用下 现象，称为电介质的极化。 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， 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。 完全是由特殊晶体结构诱发的。
4. 材料的介电性
4.3 电介质的物理参数
电介质的损耗
固体电介质的损耗
一、固体的无机电介质
无机晶体—— ε r < 10 较小，损耗主要来源于电导损耗。 如食盐Nacl晶体，石英，云母等。
只有α e和α a，ε r = ε ∞ = n 2 , g = 0
损耗主要来自电导
tan δ =
γ 1 1 = 1.8 ×1010 (γ = ) ωε 0ε r f εr ρ ρ
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） 瞬时极化） 电子位移极化（Electronic Polarizability） ）