无机材料物理性能PPT课件
无机材料物理性能第一章
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
正在发展中的几类材料：
•高温超导材料：高临界温度低（零）电阻材料
•中间化合物：两种或两种以上金属或类金属所形成的化合物 。
•功能陶瓷：光纤维，介电，光电，磁性材料 •特种高温结构材料：高温陶瓷，高分子材料
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
围绕材料内部的一点P取一体积单元，体积元的六个面均垂直 于坐标轴x,y,z。在这六个面上的作用应力可分解为法向应力σxx， σyy，σzz和剪应力τxyτyz，τzx等，如图1.2。
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能
每个面上都有一个法向应力σ和两个剪应力τ。应力分量σ和τ 的下标第一个字母表示应力作用面的法线方向，第二个字母表示应 力作用的方向。
法向应力若为拉应力，则规定为正；若为压应力，则规定为负
。 剪应力分量的正负规定如下： 如果体积元任一面上的法向应力与坐标轴的正方向相同，则该 面上的剪应力指向坐标轴的正方向者为正；如果该面上的法向应力 指向坐标轴的负方向，则剪应力指向坐标轴的负方向者为正。根据 上述规定，图1.2上所表示的所有应力分量都是正的。 根据平衡条件，体积元上相对的两个平行面上的法向应力应该 是大小相等、正负号一样。 作用在体积元上任一平面上的两个剪应力应该互相垂直。根据 剪应力互等定理，τ xy=τ yx，余类推。故一点的应力状态由六个应力 分量决定，即σ xx,σ yy,σ zz和τ xy，τ yz，τ zx。
无机非金属材料2010级
材料学
无机材料物理性能第11讲
n T
VG
Gn＋VB
n B
n = -1时，相当于串联状态；n = 1时相当于并联状态；n = 0时，
对应于晶粒均匀分散在晶界中的
情况。
ln T VG ln G＋VB ln B
实际材料中，当晶粒和晶界之间 的电导率、介电常数、多数载流 子差异很大时，往往在晶粒和晶 界之间产生相互作用，引起各种 陶瓷材料特有的晶界效应。
由于Cooper电子对受声子散射时，不会改变它的总动量， 因此也不会改变电流，这样即使去掉外场，电流也不会减少， 因而获得超导电性。由于Cooper电子对的束缚能比较小，因此 只有在低温下，也即只有在临界温度以下， 才能形成Cooper 电子对，出现超导相。
获得Nobel prize in 1972
不同的原因。 2. 本征半导体材料的导电机理及电学特性。 3. PN结的形成过程。 4. PN结为什么具有单向导电性？ 5. 超导体的两个基本特征和三个重要指标是什么？ 6. 画图分析两种导体组成的回路中产生的热电效应（设两
接触端温度不同）。
第6章 无机材料的电导
第6章 无机材料的电导
二、表面效应
表面效应：半导体表面吸附气体时电导率发生变化。 吸附气体的种类：H2、O2、CO、CH4、H2O等。
第6章 无机材料的电导
三、西贝克效应（温差电动势效应）
半导体陶瓷的西贝克效应
第6章 无机材料的电导
概念：半导体两端有温差时，由于多数载流子要扩散到冷 端，结果在半导体两端就产生了温差电动势，这种现象称 为西贝克效应。
第6章 无机材料的电导
6. 陶瓷超导体
1966年在陶瓷中首次发现超导特性；
1986年发现临界温度高于30K的陶 瓷（LaBa)2CuO4 (1987年获得诺贝 尔物理奖)
材料物理性能(课件)
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
无机材料物理性能第2讲
抗蠕变性能就较好。
1.6 无机材料的超塑性
超塑性：一些晶粒尺寸非常细小的无机材料在较高温度下 受到一个缓慢增大的荷载作用时，其永久形变能力发生较 大幅度的提高，远大于常规变形极限的现象。
超塑性
相变超塑性：由于材料发生结构相变而导致永 久性的各向异性尺寸变化。
如果玻璃相不润湿晶相，则晶界为晶粒与晶粒结合， 抵抗蠕变的性能就好；如果玻璃相完全湿润晶相， 玻璃相穿入晶界，将晶粒包围，就形成了抗蠕变最 薄弱的结构，抵抗蠕变的性能就差，其它湿润程度处 在二者之间。
➢ 4.组成 组成不同的材料其蠕变行为不同。 即使组成相同，单独存在和形成化合物，其蠕 变行为不一样。
柏氏矢量具有守恒性，一根不分叉的任何形状的位错 只有一个柏氏矢量。
三、 塑性形变速率对屈服强度的影响
YS m
式中，m为位错运动速率的应力敏感性指数。
1.4 高温下玻璃相的黏性流动
dv
dx
dv 或
dx
dr
dt
式中，常数为粘性系数或粘度，单位为 Pa s
这一定律称为牛顿定律，符合这一定律的流体叫 牛顿液体。
e u 2
0 E kT sinh
23
2kT
1
根据牛顿定律 : dv , 得:
1
dx
1
1
2
eE
0
kT
sinh 231
3kT
可近似认为
1
2
3
, 则：
expE kT
式中:
v
2
0
sinh
0
2kT
E —没有剪应力时的势垒高度；
—频率，即每秒超过势垒的次数； 0
无机材料物理性能
无机材料物理性能无机材料是指在自然界中存在的，或者是人工合成的，不含有碳的材料。
它们的物理性能对于材料的应用具有重要意义。
无机材料的物理性能主要包括热性能、电性能、光学性能和力学性能等方面。
首先，热性能是无机材料的重要性能之一。
热导率是评价材料导热性能的重要指标，无机材料中的金属和陶瓷材料通常具有较高的热导率，而聚合物材料的热导率较低。
此外，无机材料的热膨胀系数也是其热性能的重要表征之一，它决定了材料在温度变化时的尺寸变化程度。
这些热性能参数对于材料在高温或者低温环境下的应用具有重要意义。
其次，电性能是无机材料的另一个重要性能。
导电性和绝缘性是评价材料电性能的重要指标。
金属材料通常具有良好的导电性，而绝缘材料则具有较高的电阻率。
此外，半导体材料的导电性介于金属和绝缘材料之间，其电性能的调控对于电子器件的制备具有重要意义。
光学性能是无机材料的另一个重要性能。
透明度、折射率、反射率和光学吸收等是评价材料光学性能的重要指标。
无机材料中的玻璃、晶体和光学薄膜等材料通常具有良好的光学性能，它们在光学器件、光学仪器和光学通信等领域具有重要应用。
最后，力学性能是无机材料的另一个重要性能。
强度、硬度、韧性和蠕变等是评价材料力学性能的重要指标。
金属材料通常具有较高的强度和硬度，而聚合物材料则具有较高的韧性。
这些力学性能参数对于材料在受力状态下的性能表现具有重要意义。
总之，无机材料的物理性能对于材料的应用具有重要意义。
热性能、电性能、光学性能和力学性能是无机材料的重要性能之一，它们的表征和调控对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。
希望本文对无机材料的物理性能有所帮助，谢谢阅读。
材料物理性能课件-1.3材料的热膨胀
V0[1(a
b
c)T]
V
a
b
c
由于膨胀系数是随温度变化的，所以上述各值都是指
定温度范围内的平均值，因此与平均热容一样，应用
时要注意适用的温度范围。膨胀系数的精确表达为：
dl
l lT dT
dV
V VT dT
continue
热膨胀的物理本质
在晶格振动中，曾近似地认为质点的热振动是 简谐振动。对于简谐振动，升高温度只能增大 振幅，并不会改变平衡位置。因此质点间平均 距离不会因温度升高而改变。热量变化不能改 变晶体的大小和形状，也就不会有热膨胀。这 样的结论显然是不正确的。
熔点越低，则热膨胀系数越大。由于单质的熔点与周 期表存在一定的规律性，所以热膨胀系数与周期表也 存在相应关系。
continue
格律乃森给出的金属热膨胀极限方程
V Tm C
对于大多数立方和六方结构的金属，C值在0.06~0.076
线膨胀系数与德拜温度的关系
l
A V 2/3M
1 2D
continue
5、X射线衍射法 是一种微观的检测方法。借助晶体对x射线的衍射， 测量晶格常数(原子间距)随温度的变化。
continue
热膨胀在工程中的意义
热膨胀系数是材料的一项重要热学性能指标，在实
际工程应用中具有重要意义。
1) 是决定材料抗热震性的主要因素。
2) 陶瓷坯上釉，二者α应匹配。釉α适当小于坯，烧结
谐振动，晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非 线性的，位能曲线也是非对称的。
导致热膨胀的次要因素
晶体中各种热缺陷的形成将造成局部点阵的畸变和 膨胀。随温度的升高，热缺陷浓度指数增加，所以 高温时，这方面的影响对某些晶体也就变得重要了。
无机材料物理性能
弹性模量：使物体产生伸长一倍变形量所需的应力上限弹性模量：两相通过并联组合得到混合系统的E 值称之~~下限弹性模量：两相通过串联组合得到混合系统的E 值称之~~粘弹性：某些非晶体或多晶体在应力较小时间时表现粘性弹性滞弹性：无机固体和金属的弹性模量依赖于时间的现象蠕变：当对粘弹性体施加恒定应力σ0时，其应变随时间而增加的现象弛豫：当施加恒定应变ε0在粘弹性体上，应力随时间而减小的现象。
影响蠕变的因素：1.温度2.应力3.显微结构的影响4.组成5.晶体结构塑性形变：指在一中外力移去后不能恢复的形变。
塑性形变的两种基本方式：滑移和孪晶声频支：相邻原子具有相同的振动方向光频支：相邻原子振动方向相反，形成了一个范围很小，频率很高的振动热膨胀：物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象热传导：当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动的传向冷端，这个现象就称~~。
声子热导的机理：声子与声子的碰撞产生能量转移(声子：声频波的量子)介质损耗：电场作用下，单位时间内电介质因发热而损耗的电能抗热震断裂性：材料发生瞬时断裂，抵抗这种破坏的性能。
抗热震损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断发展，最终碎裂或变质，抵抗这类破坏的性能。
热应力因子：由于材料热膨胀或收缩引起的内应力双碱效应（中和效应）：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时，碱离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。
当两种碱金属浓度比适当时，电导率可以降到很低。
压碱效应：含碱玻璃中加入二价金属氧化物，尤其是重金属氧化物，可使玻璃电导率降低热稳定性：材料在温度急剧变化而不被破坏的能力，也被称为抗热震性。
铁电体:能够自己极化的非线性介电材料，其电滞回路和铁磁体的磁滞回路形状相近似。
稳定传热：物体内温度分布不随时间改变。
载流子的迁移率：载流子在单位电场中的迁移速率。
移峰效应：在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互关系，使居里点向低温或高温方向移动。
无机材料物理性能
实际固体中弹性应变的产 生与消除需要有限时间。 固体和金属这种与时间有 关的弹性称为滞弹性。聚 合物的粘弹性可以认为仅 仅是严重发展的滞弹性。
粘弹性材料的力学性质与时间有关
蠕变：在恒定的应力时，材料的应变随时 间增长而增加的现象。 Ec(t)= 0 / (t)
无机材料物理性能
芶 立
教学方式与内容
教师讲授+课堂讨论+课后作业
Final exam(60%)+Practice(15%)+ Attendance(15%) + Discussion(10%)
考
核
:
教学内容: 突出基本概念、原理和关键点
重点：力学（塑性形变、微裂纹)/热学/光学/电学（介电） /磁学
•弹性模量E实际上和 原子间结合力曲线上 任一受力点的曲线斜 率有关。在不变外力 的情况下，tgα就反映 了弹性模量E的大小。 原子间结合力弱，如 图中曲 线 1，α1 较小， tgα1 较小，E1也就小； 原子问结合力强，如 图中曲线2，α2和tgα2 都较大，E2也就大。
两相系统中弹性模量的估算
先修课程：大学物理、理论力学、材料力学、材料科学基础
第一章 无机材料的受力形变
无机材料的应力、应变及弹性形变
应力 应变 无机材料的弹性变形行为 课堂讨论题: Al2O3片/Al片/硅橡胶受到 压力时,会有哪些现象?产生这些现象的原 因是什么?
无机材料的应力、应变及弹性形变
各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化， 称为形变。 应力: 单位面积上所受的内力
无机材料物理性能 完美版
/register.php?invitecode=7db8407acaii1hHt名词解释【力学】牛顿流体：受力后极易变形，剪切力跟速度梯度成正比符合牛顿定律的的流体；粘性系数：粘性：液体在流动时，在其分子间产生摩擦的性质，粘性大小用粘度表示，是用来表征液体性质相关的阻力因子；热稳定系数：材料承受温度急剧变化而不致破坏的能力，又称抗热震性；热冲击断裂性：材料发生瞬间断裂，抵抗这类破坏的性能；抗热冲击损伤性：热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落并不断扩展，最终破裂或变质，抵抗这类破坏的性能；静态疲劳(亚临界生长)：裂纹在使用应力下，随着时间的推移而缓慢扩展，这种缓慢扩展也称亚临界生长或静态疲劳；动态疲劳：材料在循环应力或渐增应力作用下的延时破坏；Griffith微裂纹理论：实际材料中总存在许多的细小裂纹或缺陷，在外力作用下这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂，故断裂不是两部分晶体同时沿整个界面拉断，而是裂纹扩展的结果；【热学】声子：晶格振动能量的量子化单元hw称为声子，h为普朗克常数，w 为晶格振动的角频率，对应每一次晶格热振动，晶体内部产生或吸收一个声子，声子是虚拟粒子，是原子激发的形态之一；格波：晶格中的所有原子以相同频率振动而形成的波，或某一个原子在平衡位置附近的振动是以波的形式在晶体中传播形成的波；晶格热振动：晶体中原子以平衡位置为中心不停地振动，是产生热容、热膨胀等现象的物理基础；热膨胀系数：物体由于温度改变而有胀缩现象，其变化能力以等压下，单位温度所导致的体积变化来表示；能流密度：在一定空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所产生的某种能源的能量或功率，是评价能源的主要指标；热导率(热导系数)：是指单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位是w/m2.k；【电学】电流密度：描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，矢量，大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量，正电荷流动方向为正方向；电导率：介质中该量与电场强度之积等于传导电流密度；即电阻率的倒数，物理意义表示物质导电性能；载流子迁移率：载流子在单位电场作用下的平均漂移速率，即载流子在电场作用下运动速度的快慢量度，运动越快迁移率越大；半导体施主能级：一个能级被电子占用时成中性，不被电子占据时带正电；受主能级：一个能级不被电子占据时成中性，被电子占据时带负电；西贝克效应(温差电动势效应)：由于两种不同的电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间电压差的热电现象，具体说：半导体材料的两端如果有温度差，则在较高温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域，当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等其方向相反时，就达到稳定状态，多数载流子扩散到冷端，产生△V/△T，结果在半导体两端就产生温差电动势；【介介电性质】正温度系数效应PTC：价控型BaTiO3半导体在居里点(正方相↔立方相相变点)附近，电阻率随温度而发生突变的现象，机理是几何半导体陶瓷晶界上具有表面能级，此表面能级可捕获载流子，从而在两边晶粒内产生一层电子损耗层，形成肖特基势垒，该势垒与介电常数有关，当温度高于居里点，介电常数剧减，势垒增加，电阻率增加；压敏效应：a.指对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压以下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流流过。
无机材料物理性能第4讲
自学
3.3.4 裂纹扩展阻力曲线
3.4 无机材料中裂纹的缓慢扩展
裂纹扩展的三种形式（按裂纹扩展速率划分）： ➢ 快速失稳扩展 ➢ 稳态扩展 ➢ 缓慢扩展
裂纹缓慢扩展的结果：裂纹尺寸逐渐加大，直 至达到临界尺寸转变为失稳而导致材料的断裂。
注意：裂纹缓慢扩展与稳态扩展的区别？（教材P71）
材料的强度取决于荷载作用的时间或加载速率， 这种现象称为疲劳。包括：
材料力学性能的微观本质
宏观行为（性能）
微观本质
弹性变形 塑性变形
粘弹性变形 蠕变
键合在不破坏条件下的伸缩或旋转 （可逆）
晶体的滑移、孪晶、扭折；非晶体 的粘性流动（不可逆）
高分子链段的伸展+粘性流动
晶格滑移、晶界滑移、原子扩散
断裂 磨损
裂纹萌生+裂纹扩展 表面局部塑性变形+断裂
裂纹尖端附近空腔的形成
一些多晶多相陶瓷（如热压 Si3N4）在高温下长期受力作用， 晶界玻璃相的结构粘度下降， 毛细管力在此处引起局部应力， 使晶界发生蠕变或粘性流动， 晶界处的气孔、夹杂物及结构 缺陷逐渐长大，形成空腔，空 腔进一步沿晶界方向长大、联 通形成次裂纹，与主裂纹汇合 就形成裂纹的缓慢扩展。
3.3 显微结构对断裂韧性的影响
➢ 无机材料的断裂韧性较低的根本原因：在裂纹扩 展过程中，除了形成新表面消耗能量之外，几乎 就没有其他可以显著消耗能量的机制
➢ 提高无机材料的断裂韧性的出发点：调整材料的 显微结构，以进一步提高材料的裂纹扩展阻力
➢ 增韧措施：裂纹偏转增韧、裂纹桥接增韧、微裂 纹增韧、相变增韧
增韧机理：当主裂纹遇到这些裂纹时会发生分叉转 向前进，增加扩展过程中的表面能；同时，主裂纹 尖端应力集中被松弛，致使扩展速度减慢，从而使 材料的韧性增加。
第 03-3 讲材料物理性能与测试PPT
抗热冲击损伤性能
裂纹长度及强度与温度的函数关系
提高抗热冲击断裂性能的措施
1. 提高应力强度σ，减小弹性模 量E； 2. 提高材料的热导率，使R′提 高； 3. 减小材料的膨胀系数α； 4. 减少材料表面热传递系数h； 5. 减小产品的有效厚度。
考虑静力平衡条件，有: σ1 S1 + σ2 S2 = 0 联立上二方程，解得: σ1 = -(α1-α2)ΔT / [1/E1 + S1/(E2 S2)] ， σ2 = (α1-α2)ΔT / [1/(E1 S1) + 1/E2]
热应力的计算
薄板的热应力图
热应力的计算
解得：
E x z T 1
构件的热膨胀或收缩受到约束时造成应 力；
相连接的两个构件存在温度差，构件间
相互约束造成热应力；
构件存在温度梯度，其间各部分相互约
束，钢化玻璃；
不同材料的组合和约束造成热应力。
热应力的产生
例如： 端头组合在一起的棒1和棒2，其长度相 同，均为L，截面积为S1、S2，线膨胀系数 分别为α1、α2，且α1 > α2，初始温度为T1， 最终温度为T2。试分析其因热膨胀而导致 的应力情况。
R Tmax 1
f
rm h 0.31
Tmax
f 1 1 E 0.31rm h
f 1 R E
'
第二热应力断裂 抵抗因子J/(cm· s)
抗热冲击断裂性能
rmh/4.18J/(cm· K) s·
不同条件下，材料瘁冷断裂的最大温差
定义：
f 1 R E
为第一热应力断裂抵抗因子(℃ )。
无机材料物理性能第3讲
2.1.1 固体材料的理论断裂强度
1、理论断裂强度的物理模型
σ
在外力作用下，解理面间
的原子结合遭到破坏，从而引
a0
起晶体的脆性断裂。当原子处
于平衡位置时，原子间的作用
m
n 力为零；在拉应力作用下，原
子间距増大，引力也增大。原
子间结合力—原子间距曲线上 的最高点代表晶体的最大结合
力，即理论断裂强度th 。
2.3 无机材料断裂强度测试方法（自学）
要求：
1、搞懂为什么通常测试无机材料断裂强度要采取弯 曲方法，而不测拉伸强度？
2、熟悉弯曲强度测试方法的加载方式、试样形状及 尺寸、强度计算公式。
3、了解陶瓷材料按其强度下限值分类的方法。 4、搞懂实验室制备与工业化生产材料的强度差异的
原因？
注：GB/T 6569-1986 <<工程陶瓷弯曲强度实验方法>> 已被GB/T 6569-2006 <<精细陶瓷弯曲强度试验方法>> 代替！
2、 Inglis裂纹尖端应力集中理论 Inglis （英格里斯）1913年提出。
该理论考虑了裂纹端部一点的应力，认为当tip等于材 料的理论强度时，裂纹就会被拉开，c 随之变大， tip又 进一步增加。如此恶性循环，导致材料迅速断裂。
σ
tip 2
c a
E
a
σtip
σtip
c
E
4c
仅考虑了裂纹端部一点
通常情况下，≈E/100，th ≈ E/10； 熔融石英纤维 th=24.1GPa E/4 碳化硅晶须 th=6.47GPa E/23 氧化铝晶须 th=15.2GPa E/33 尺寸较大的材料实际强度比理论强度低
- 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)。
对陶瓷而言，电介质陶瓷可包括： 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。
5
评价电介质的主要电学性能指标
14
• 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与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
15
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
原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
16
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。
+
+ +++ +++ +
自由电荷
+ －
偶极子
束缚电荷
10
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。
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。
9
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
－
－－Leabharlann ++
+
－
－
－
+
+
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。
11
2、介电常数
以平板电容器为例。 真空中，电容器电容C0为：
0：真空介电常数8.851012F.m-1
加入电介质后，电容为：
：介质的介电常数
故有：
r：相对介电常数
12
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。
(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。
13
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。
(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。
由
P= Q1 /A= oE1
得：
E1 = P / o
19
洛伦兹场E2的计算：
rsin P
－ d
O r
+ 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
20
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：
+ + + +++++
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。
－－－－－－－
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。
18
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。
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
6
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。
7
6.1 介质的极化
一、极化现象及其物理量
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。
8
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
第七章
1
电学性能： 电导性能 介电性能
2
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的一类在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。
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
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：
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
－－ － － －－ －
+
+
++
E1
外加电场E外
－ － －－
17
++ + + ++ +
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos
由 qE=F
1×E=F E=F
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：
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。
3
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。