第三章 材料的介电性能.ppt
第三章-材料的介电性能
Idc Iac
I总
Ic
９０
ｔ
Ic：理想电容器充电造成的电流； Idc：电介质真实介质漏电流； Iac：真实电介质极化建立的电流
Ｉ
Ｕ
非理想电介质充电、损耗和总电流矢量图
3.2.1 复介电常数与介质损耗
3）复介电常量： 定义复介电常量ε* 和εr* ，有：
* ' i ''
r* r ' i r ''
离子、取向极化
原子种类和键合类型
空间电荷极化
面缺陷
（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，
只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。
光学性质 介电性质
电子极化 离子极化
取向极化 空间电荷极化
电磁波谱中可 见光的辐射
红外波段
1015Hz
1012Hz－ 1013Hz
亚红外波段 低频波段
P e0E
令电位移D为： D 0E P
代入得：
D 0E P 0E 0E( r 1) 0E r E
在各向同性的电介质中，电位移等于场强的ε倍。
3.1.4 电介质极化的机制： 电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、 原子、分子和空间电荷情况。 位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位 移极化和离子位移极化。 1）电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的 电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个 暂时的感应的偶极子。 这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S 可逆 与温度无关 产生于所有材料中
热运动：无序 电 场：有序
d
材料物理性能-第三章 材料的电学性能
D nq2 kT （能斯特-爱因斯坦方程）
由电导率公式 nq 与上式，可以建立扩散系 数 D和 离子迁移率 的关系：
D qkT BkT
D ——扩散系数
B ——离子绝对迁移率
四.影响离子电导率的因素
1.温度
随着温度的升高，离子电导按指数规律增加
。 低温下杂质电导占主要地位。（图 5.12 曲线 1 ）。 这是由于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许 多的缘故。高温下（曲线2），固有电导起主要作用 。 因为热运动能量的增高，使本征电导的载流 子数显著增多。这两种不同的导电机构，使曲线出 现了转折点A。
J nqv E E
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流 子在单位电场中的迁移速度。
nq
电导率的一般表达式为
i ni qi i
i i
上式反映电导率的微观本质，即宏观电导率 与 微观载流子的浓度 n ，每一种载流子的电荷量 q 以及每
一种载流子的迁移率的关系。
如果介质处在外电场中，则作用于每一个载流子的 力等于 qE 。在这个力的作用下，每一载流子在E 方 向发生漂移，其平均速度为 vcm s 。容易看出， 单位时间（1s）通过单位截面 S 的电荷量为
J nqv
J——电流密度 J I S 根据欧姆定律 R h s
J
E
E
该式为欧姆定律最一般的形式。因为 、 只 决 定于材料的性质，所以电流密度 J 与几何因子无关， 这就给讨论电导的物理本质带来了方便。 由上式可得到电导率为
同样 电场强度也是均匀的 V LE 把（2）（3）代入（1）则：
（3）
除以S得：
LE SJ R
第三章 材料的介电性能--内含精选动图详述
A、电容材料
提高击穿电压措施
1、加强冷却，提高热击穿电压； 2、 改善环境条件，防止高温，避免潮气﹑臭 氧等有害物质的侵蚀。
A、电容材料
II、传感器
C s
ε：介质介电常数 s ：极板面积 δ ：极板间距离
s
δ
ε
上式中，哪几个参量是变量？ 可以有几种传感器？
A、电容材料
II、传感器
变极距型(变间距型)电容传感器
B、压电材料----纳米发电机
1961年王中林出生于陕西省 蒲城县高阳镇，王中林的初 中和高中就是在这种大背景 下度过的，三分之一的时间 都在田里泡着，毕业于尧山 中学。
纳米发电机创始人 （王中林）
进入大学校门的第一天，他 就暗暗给自己定下一条标准， 本科每门课程不能低于90分。
B、压电材料----纳米发电机
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
在完全黑暗的环境中， 将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎，可以看到冰糖 在破碎的一瞬间，发出 暗淡的蓝色闪光，这是 强电场放电所产生的闪 光，产生闪光的机理是 晶体的压电效应
2、介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化------压电效应
压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形 时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷， 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向 改变时，电荷极性也随着改变。
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
F
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电 介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加 电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
第三章_光学(讲)
表示光强与光波电场振幅的关系。
3.1.2 光子的能量和动量
爱因斯坦光量子公式： 电磁场（光场）的能量是不连续的，可分成最 小的单元，这个最小的能量单元称为“光子”。 能量（解释光电效应）： h 动量：
P h
（反映光的波粒二象性能） 光既可以看做光波又可以看做光子流。光子是电磁场 能量和动量量子化的粒子，而光波是光子的概率波。
反射率与入射角的关系
当n1=n2 时，m = 0，无反射。
n1
与n2 差别大，反射损失严重。
设：n1=1.5，光由空气进入介质，通过一个界面的反
射损失m=0.04，透过系数1-m=0.96，从另一面进入
空气，透过部分：(1-m)2=0.922。透过x层玻璃后，
透过部分：(1-m) 2 x 为减少界面造成损失，用与玻璃折射率相近的胶 粘合。来自率ne。 不遵守折射定律
当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在；与光 轴方向垂直入射时， ne最大，此值视为材料特性。沿
晶体密堆积程度较大的方向ne较大。
(3) 材料所受的内应力 透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于 受拉主应力方向的n小。
(4) 同质异构体
同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时
光的波动性 光的波粒二象性 光子的能量和动量* 折射率*、反射率和透射率
光的反射和折射
光的全反射 本章内容
材料对光的吸收*和色散
光散射 介质的光散射与光发射 光发射 材料的光学性能 弹性散射*
3.1 光的波粒二象性
人们对光的认识始于19世纪。
• 1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、
图3-10 金属、半导体及电介质材料吸收率随波长的变化
第三章_介电材料
这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。
在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般 说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在 于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间 极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷 迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子 可以优先向负极方向迁移，因此在电极-NaCl界面处建立了一个双电 层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不再 是介电质了。另外，上述4种极化率的大小程度也不相同，一般大小 次序为： αe<αi < αd
1.2 电极化现象
a . 电子极化
介电材料本身不荷电荷，但 将其置于电场中，在其体积内部和 表面会感应出一定量的电荷。这种 现象称作电极化现象。这种极化现 象可以分为4类，如右图所示。 电子极化：任何材料都是由原 子和分子或离子构成的。原子可以 看作是由荷正电荷原子实和其外荷 负电的电子云所构成的。无电场时， 原子时的正电重心和电子云的负电 重心是重合在一起的。在电场存在 时，正电重心和负电重心发生轻微 错位，形成的极化称作电子极化。
介电常数k比Si3N4(k>7)大的材料称为高介电常数材 料，而其k值比SiO2（k<3.9）小的材料称为低介电常数 材料。k的最小值为1(空气中)，最大k值材料（铁电体） 为24700（频率1kHz时） 高介电常数材料 DRAM(动态随机存取存储器)上单个电介 质－SiO2和Si3N4。 随着存储器芯片（速度）超过64M（位），这一方 法不再有效，因为欲达到所需元件电容量，材料需薄至 1nm以下，这样，它们（随着现代存储器芯片工作电压 的下降）就会产生不能承载的漏电流或严重的击穿。
材料的介电性能
材料的介电性能材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，也是材料在电子学、光学和电子器件中的重要性能之一。
介电性能的好坏直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
首先，介电常数是描述材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是材料在外电场作用下的响应能力的量度，它反映了材料对外电场的极化程度。
介电常数越大，表示材料在外电场下的极化程度越强，介电性能越好。
常见的介电常数高的材料包括氧化铝、二氧化钛等。
而低介电常数的材料如聚乙烯、聚四氟乙烯等。
介电常数的大小直接影响着材料的电容、介电损耗和介电强度等性能。
其次，介电损耗是描述材料介电性能的另一个重要参数。
介电损耗是指材料在外电场作用下产生的能量损耗。
介电损耗主要包括导致材料内部分子、离子、电子等极化运动所产生的摩擦损耗和材料内部电导率引起的能量损耗。
介电损耗的大小直接影响着材料在高频电场下的性能表现，也是影响材料在微波、雷达等领域应用的重要因素。
此外，介电强度也是评价材料介电性能的重要指标之一。
介电强度是指材料在外电场作用下能够承受的最大电场强度。
介电强度越大，表示材料在外电场下的绝缘性能越好，能够承受更大的电场强度而不发生击穿。
介电强度的大小直接关系着材料在电气设备、电力系统等领域的安全可靠性。
综上所述，材料的介电性能是材料科学和电子工程领域的重要研究内容之一。
介电常数、介电损耗和介电强度是评价材料介电性能的重要指标，直接影响着材料的电学性能和应用效果。
因此，对材料的介电性能进行深入研究和分析，对材料的性能优化和应用具有重要意义。
希望本文能够对材料的介电性能有所了解，并为相关研究和应用提供一定的参考价值。
第三章 电介质材料 (基础知识)
130~150 陶瓷: 陶瓷 80~110
陶瓷: 陶瓷 9.5~11.2
聚乙烯 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
2.2 介质极化强度和极化率
v
为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 P ，它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和： 体积内感生偶极矩的矢量和：
Q'
= (εr -1)ε0 E
P = n0αEe
εr =
Q 0 + Q' Q' = 1+ Q0 Q0
Q0 U
n0αEe εr = 1+ ε0 E
提高电介质的介电常数： 提高电介质的介电常数： 提高单位体积内的极化粒子数n 提高单位体积内的极化粒子数 0； 大的粒子组成电介质； 选取极化率α 大的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场E 增强作用于极化粒子上的有效电场 e。
4）极性分子电介质和非极性分子电介质 ） 极性分子：分子的正负电荷重心不重合。 极性分子：分子的正负电荷重心不重合。
v 极性分子具有固有偶极矩 电偶极矩： 固有偶极矩， 极性分子具有固有偶极矩， 电偶极矩：µ = ql v
。
v l
q
电偶极子 例如， 例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 、 、 、
v E' ：退极化场 v v v 介质中的总场强： 介质中的总场强：E = E 0 + E '
v E 0 ：外电场
2.1 介电常数（ε） 介电常数（ ） 比值来反映介质的极化能力： 取D/E比值来反映介质的极化能力： 比值来反映介质的极化能力
第三章 材料介电特性
3.2.1.2离子的位移极化
两个离子的位移极化率为
a
R
3 0
n 1
可以近似地认为，平衡时两离子中心间的距 离Ro等于它们的离子半径R1和R2之和，即
a
R1 R 2
n 1
3
有极分子的离子位移极化率和离子半径的立 方应具有相同的数量级，亦即在数量级上接 近离子的电子极化率α e。在无极分子中，离 子位移极化率很小，因而电子极化率α e是主 要的。
第三章 材料介电特性
3.1概述 3.2静电场中的电介质行为
3.3变动电场中电介质行为及介质损耗 3.4固体电介质的电导与击穿
3.1概述
一、电介质的概念及特点 二、电介质的分类 三、电介质的四大基本常数 四、电介质的理论
一、电介质的概念及特点 • 电介质是在电场作用下具有极化能力 并在其中长期存在电场的一种物质 • 电介质具有极化能力和其中能够长期 存在电场的性质是电介质的基本属性 • 电介质体内一般没有自由电荷，具有 良好的绝缘性能 • 电介质又可称为绝缘材料（insulating material）或绝缘体（insulator）
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 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。 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．由于热运 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，当加上外 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，另一方面热运动 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。在一定的温度和一定的外 场E下．两方面的作用达到暂时的互相平衡。
材料物理性能
第一章热学性能1、热容热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1k所需要增加的能量2、金属高聚物的热容本质及比较大小高聚物多为部分结晶或无定形结构，热容不一定符合理论式。
大多数高聚物的比热容在玻璃化温度以下比较小，温度升高至玻璃化转变点时，分子运动单位发生变化，热运动加剧，热容出现阶梯式变化。
高分子材料的比热容由化学结构决定，温度升高，使链段振动加剧，而高聚物是长链，使之改变运动状态较困难，因而需提供更多的能量。
一般而言，高聚物的比热容比金属和无机材料大。
3、热膨胀的物理本质物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。
材料的热膨胀是由于原子间距增大的结果，而原子间距是指晶格结点上原子振动的平衡位置间的距离。
材料温度一定时，原子振动但平衡位置保持不变，材料不随温度升高而发生膨胀；而温度升高，振动中心右移，原子间距增大，材料产生热膨胀。
4、化学键对热膨胀的影响材料的膨胀系数与化学键强度密切相关。
对分子晶体而言，膨胀系数大；而由共价键相连接的材料，膨胀系数小的多。
对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。
5、从化学键角度比较高聚物的膨胀系数对于高聚物来说，长链分子中的原子沿链方向是共价键相连接的，近邻分子间的相互作用是弱的范德华力，因此结晶高聚物和取向高聚物的热膨胀具有很大的各向异性。
6、热膨胀与熔点、热容的关系（1）热膨胀与熔点的关系当固体晶体温度升高至熔点时，原子热运动将突破原子间结合力，使原有的固态晶体结构被破坏，物体从固态变成液态，所以，固态晶体的膨胀有极限值。
因此，固态晶体的熔点越高，其膨胀系数就越低。
（2）热膨胀与热容的关系热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，而晶格振动的激化就是热运动能量的增大，每升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。
第三章 静电场中的电介质
E≠ 0时 p≠ 0
-
+
有极分子 —— 取向极化 向一致， （ | ∑ p | ∝ |E |，E 使 p 取向一致，热运动使杂乱 ） ，
E=0时 ∑p=0
E≠ 0时 ∑p中有个 m 个电偶极子
∑p = 0
i=1 i
m
极化
∑p ≠ 0
i=1 i
m
极化强度矢量 P：（表示极化的程度） ： 表示极化的程度）
= −(P ⋅ ∆S1 + P ⋅ ∆S2) 1 2
ˆ1 2 ˆ = −(P ⋅ n + P ⋅ n2)∆S 1
S
ˆ1 n
∆S
ˆ n2
ˆ = (P − P )⋅ n∆S 2 1
∆q' ˆ ∴ σ' = = (P − P ) ⋅ n 2 1 ∆S
ˆ ˆ1 ( 取 n = n ： →1) 2
讨论
ˆ n 2是介质，1是真空： σ' = P ⋅ n = P 是介质， 是真空 是真空： 是介质 2 ( P1 = 0 ) 2是介质，1是导体： σ' = P ⋅ n = P 是介质， 是导体 是导体： 是介质 ˆ n 2 1、2都是介质： 都是介质： 、 都是介质 σ' = Pn − Pn 1 2 3 2 1 - + + 平行板电容器中插入电介质板 + • 右侧：P 与 n 同向， σ’ = P2 右侧： 同向， + - + + • 左侧：P 与 n 反向， -σ’ 左侧： 反向， - + + + σ’ 和 -σ’ 对 1，3 区 E 无影响 ， + - + 2 区附加 E’ 与 E0 反向 + σ0 -σ’ σ’ -σ0 E1 = E3 = E0 1 ∴ U0 <U <U0 E2 = E0 + E’ < E0 2
材料物理材料介电性能
材料物理材料介电性能材料物理是研究物质的结构、性质和行为的学科领域。
材料的介电性能是指材料对电场的响应能力，包括介电常数、介电损耗、电容率等电学参数。
这些参数直接影响着材料在电子器件、能源存储和传输等领域的应用。
首先，介电常数是介电性能的重要参数之一、它描述了材料在电场作用下的极化能力。
介电常数大的材料意味着材料在电场作用下更容易极化，从而使得材料可以存储更多的电荷。
一些常见的高介电常数材料包括铁电体和铁电薄膜。
这些材料在电子器件中被广泛应用，例如电容器和存储器件。
其次，介电损耗是材料介电性能的另一个关键参数。
它描述了材料在电场作用下吸收能量的能力。
也就是说，当电场作用下，部分电能会被转化为热能而损耗掉。
介电损耗大的材料会导致电能的浪费，从而降低电子器件的效率。
因此，在设计和选择材料时，介电损耗的降低是一个重要的考虑因素。
最后，电容率是衡量材料存储能量的指标。
它与介电常数和材料的体积有关。
当介电常数和电容率高时，材料可以存储更多的电荷，从而提高电容器的性能。
这对于能源存储和传输领域尤为重要，例如电动车的电池和太阳能电池的电容器。
除了介电常数、介电损耗和电容率之外，还有其他一些介电性能的重要参数。
例如，介电强度是指材料可以承受的最大电场强度。
当电场强度超过介电强度时，材料会发生击穿现象。
因此，了解材料的介电强度可以帮助我们设计更可靠和安全的电子器件。
总之，材料的介电性能对于电子器件、能源存储和传输等领域的应用至关重要。
通过研究和了解材料的介电常数、介电损耗、电容率和介电强度等参数，我们可以优化材料的性能，提高电子器件的效率和可靠性。
对于未来的材料科学和工程领域的发展，介电性能的研究和探索仍然是一个重要的方向。
敏感材料PPT课件
化1℃时，热敏电阻阻值的变化率。即
T
1 RT
•
dRT dT
αT和RT对应于温度T(K)时的电阻温度系数和电
阻值，在工作温度范围内，αT不是一个常数。
热敏电阻的温度系数绝对值比金属高很多倍，
灵敏度较高，且电阻大，测量线路简单，不需要考
虑引线带来的误差，能够远距离测量。
5
敏感材料-热敏陶瓷
材料制作的PTC；另一类是以氧化钒为基的材料。
1. BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷
(1) BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件 当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶
界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。PTC效应完
全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单
晶不具有PTC效应。
纯BaTiO3具有较宽的禁带，室温下的电阻率为 1012cm，接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
Ba2+，或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+，获得电阻率 为103-105cm的n型半导体。电阻率一般随掺杂浓度
的增加而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低
值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚至变成
绝缘体。
BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓度(质量分 数)为：Nd 0.05％，Ce、La、Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35 ％。
需要在氧化气氛下重新热处理，才能得到较好的PTC
特性，电阻率为1-103cm。
15
敏感材料-热敏陶瓷
(4) BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺：
A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受 主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限
度。一般控制在0.01mol%以下。 B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合 成时引入，含量在0.2~0.3mol%这样一个狭窄的范围 内。
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3.1.3 电介质极化的机制（分5大类）
在外加电场下，宏观极化强度一般是各种机制的 综合贡献结果 极化率 E 1、电子、离子位移极化 4 e R3 0 3 （1）电子轨道相对于原子核发生位移 a3 （2）离子轨道偏移平衡位置 a 4 0 n1 性质：可逆 建立时间：光频10-12～ 10-15s 2、驰豫极化 与带电质点的热运动相关
在平板电容器中插入导电材料（跟两板不接触），也 能增加电容，但那不属于电介质
自由电荷
束缚电荷
束缚电荷产生的电场较小，自由电荷产生的电场较 大，二者方向相反
相同电压下，束缚电荷越多，束缚电场也越大，电 介质内部电场相对越小，表明介电常数也越大
3.1.2
描述极化相关的概念和物理量
H2O ,CO 极性分子
e
T
外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性 （不可逆， 10-2～ 10-9s ） 外加电场使弱束缚离子的运动具有方向性 （不可逆， 10-2～ 10-5s ） 外电场如果频率太高，驰豫极化来不及发生
2 2 q a T 12kT
3、取向极化 沿外场方向的偶极子多于与外场反向的偶极子数目 性质：热运动破坏取向极化 建立时间：10-2～ 10-10s
建立极化的原因：外电场、外加压力、热膨胀、自发极化等
应用也非常广泛
增大电容、隔直 微波炉 点火器 压电马达 微位移探针控制
克隆细胞 用的微位 移探针
主要内容
电介质及其极化 交变电场下的电介质 电介质在电场中的破坏 压电性、热释电性、铁电性
本章关键词：极化
学习本章的关键：描述材料的极化及其产生原因
第二章
真空 三类物质对匀强 静电场的反应 绝缘体 导体
材料的介电性能
无反应，电场线无阻碍通过 产生束缚电荷，建立与外场相 反方向的电场，内部电场降低 产生感生电荷，建立与外场相反方 向的电场，内部场强降低为0
介为之间，电为电场，介电性能就是把材料放入电场 中显示出来的性能。 介电材料就是电介质，是电的绝缘体，放入电场中材 料内部会有反应，微观是极化，宏观反应是增大电容等。 电场E
适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极 性固体、立方对称的晶体 提高介电常数的方法：大的的极化率离子，单位 体积内极化质点多
介电常数和折射率有关，想提高材料的折 射率，从提高介电常数入手
3.2 交流电场下的电介质
电介质在电路中应用，主要是承受交流电场作用， 因此电介质的动态特性非常重要。
3.2.1 复介电常数和介质损耗
理想平板真空电容器 C 0
0A
d
f 加上交流电压，角频率 2
复数描述
i t UU 0
则电极板上出现周期性 变化的电荷量
i t Q C U C U e 0 0 0
回路电流也是周期性变化的 超前电压相位90°
dQ i t I i C U e c 0 0 dt
电中性
极化状态
极化示意图
极是唯一的意思
极化：由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能 发生宏观的位移。然而在外电场的作用下，这些带电粒子仍然 可以有微观的位移，即电介质可以被极化。 微观上的电中性被破坏，材料内部（非匀强电场）或表面（匀 强电场）出现束缚电荷
介电性能是绝缘材料和电场相互作用的体现，其 本质是极化。
1、极性分子、非极性分子 正负电荷中心是否重合
CH 4 , He 非极性分子
2、电偶极子
电偶极矩（矢量）
ql
无外场情况下，极性分子偶极矩不为0，但宏观为0 非极性分子偶极矩为0，宏观也为0 3、极化强度
P
V
单位体积内的偶极矩矢量 和等于面束缚电荷密度
4、电极化率（以各向同性介质为例）
P e0E e 为电极化率
电极化强度的大小和实际有效电场有关
er 1
P E ( 1 ) 0 r
5、电位移（以各向同性介质为例）
D E P 0
6、介电常数、相对介电常数
D E P E E E E 0 0 e r 0 r
若电容极板间充填理想电介质 （即不导电），则只是电容变 大， C0 rC 回路电流为
dQ ' i t I ' i CU e I 0 r c dt
实际电介质并非这样，其 电导率并不是为0，总有漏 电，因此总电流包括两部 分：容性电流和电导分量
I I I i CU GU ( i C G ) U T c I A A A 其中，电导 G I ( i ) U d T r 0 d d 电容 C A
3.1 电介质及其极化
3.1.1 平板电容器及其电介质 电容：两个临近导体加上电压后具有储存电荷的能力 恒压下，两个导体之间不接触，没有电流产生 Q C V 真空平板电容器的电容（由其组成结构决定） ( V /d ) A A Q 0 0 C 0 V V d A QqA 0 V d 法拉第（M.Faraday）发现一种材料插入两平板后，电容增加 （带电量不变，板间电场降低，电压减小，因此电容增大） r0A 为介电常数，反应材料对外静电 CrC 0 场的反应能力 d
莫索堤导出球形腔内局部电场
2、克劳休斯－莫索堤方程
单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和
P N i i
考虑莫索堤局部电场
r 1 1 N i i r 2 0
假设多种微观极化机制都起作用
1 1 r N ( ) i 1 2 d s 2 r 0
r 0
d
与直流情况下的欧姆定 律比较，规定复电导率 可以看到如果 由 得
0 2 d 4、空间电荷极化 3kT 晶界处空间电荷在外场下有序化（数秒甚至数十小时）
5、自发极化
s
与晶体结构相关（后边介绍）
不同的极 化机制小 结 图
3.1.4
宏观极化强度和微观极化率的关系
Ed E0
P Eloc E宏 ＋ 30
1、退极化场和局部电场 宏观电场
P
E E E 0 d 宏