第九章-电介质材料
《电介质材料》课件
热稳定性与热导率是衡量电介质材料在高温下稳定性和导热性能的物理量。
详细描述
热稳定性是指电介质材料在高温下保持其结构和性能稳定的能力。热导率则反映了材料在加热过程中热量传递的 能力。热稳定性越高、热导率越小，说明电介质材料在高温下的性能越稳定。
机械性能与硬度
要点一
总结词
机械性能与硬度是衡量电介质材料在机械力作用下强度和 硬度的物理量。
通过刻蚀、光刻等技术制 备电介质材料的表面微纳 结构，提高其介电性能和 机械性能。
CHAPTER
05
电介质材料的应用案例
电力系统的电介质材料
总结词
在电力系统中，电介质材料发挥着至 关重要的作用，主要用于绝缘和支撑 。
详细描述
电介质材料在电力系统中主要用于绝 缘和支撑，如变压器、电缆、绝缘子 等。它们能够承受高电压和电流，保 证电力传输的安全性和稳定性。
VS
详细描述
电介质材料是指在电场作用下不导电或导 电能力非常微弱的物质，通常具有较高的 绝缘电阻和介电常数。根据其性质和应用 ，电介质材料可以分为绝缘体、半导体和 电解质等类型。
电介质材料的性质与特点
总结词
电介质材料具有高绝缘性、低导热性、高介电常数等特点，这些性质决定了其在不同领域的应用。
详细描述Βιβλιοθήκη 要点二详细描述机械性能包括弹性模量、抗拉强度、抗压强度等，它们决 定了材料在受力时的表现。硬度则反映了材料表面抵抗被 划伤或刻入的能力，通常用莫氏硬度或维氏硬度来衡量。 机械性能和硬度对于电介质材料的加工和应用具有重要意 义。
CHAPTER
03
电介质材料的电学性能
绝缘电阻与介电强度
绝缘电阻
电介质材料在电场作用下的电阻，反 映了电介质对电流的阻碍能力。绝缘 电阻越大，电介质材料的介电性能越 好，能够承受更高的电压。
电介质材料的制备和应用
电介质材料的制备和应用电介质材料是一种常见的材料，它可以用于许多电子设备和电路中，例如电容器、电缆、变压器等。
电介质材料的制备和应用涉及到许多科学和工业领域，本文将从材料的性质、制备方法和应用方面进行探讨。
一、电介质材料的性质电介质材料的主要特点是它具有较高的绝缘性和耐电场强度。
由于其绝缘性能优异，能够有效地阻止电流流过它们，从而避免电器件出现失效和降低泄漏电流的级别。
同时，电介质材料还能够承受一定的电场强度，因此它们能够应用于高电压和高频率方面的电路。
除此之外，电介质材料还有许多其他的性质。
例如，电介质材料的介电常数和电阻率等物理性质，对于电容器和电缆的性能有着非常重要的影响。
此外，电介质材料的化学和机械性能也十分重要，因为它们需要承受各种不同的环境和应力。
二、电介质材料的制备方法在现代科技中，电介质材料的制备方法非常多样化，其主要涉及到材料的合成、加工和改性等方面。
以下是一些常见的制备方法：1. 化学制备法化学制备法是制备电介质材料最常用的方法之一。
它通常涉及到化学反应和溶液化学等方面，以便创造出独特的材料组合和优异的性质。
除此之外，化学制备法还可以用来改善材料的稳定性和加工性能。
2. 机械加工法机械加工法是一种通过物理剪切和压缩等手段，来改变电介质材料结构和形态的方法。
它包括挤压、拉伸、模压、压印、粉末压制等方法，这些方法可以使电介质材料具有不同的形状和性能。
3. 熔体制备法熔体制备法是一种将材料加热至熔点或高于熔点，并用一定的方式进行搅拌和混合以制备电介质材料的方法，其优点在于制备速度快，材料结晶性能好，且能制备出大块的材料。
4. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种在高温和高真空条件下，利用气体反应在基材表面生成材料的方法。
采用化学气相沉积法制备的电介质材料具有非常纯净和精细的结构，同时还能控制其厚度和成分。
三、电介质材料的应用电介质材料的应用非常广泛，以下是一些常见的应用：1. 电容器和电感器电介质材料在电容器和电感器中发挥着重要的作用。
电介质材料
（4）空间电荷极化 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯
度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或 大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流 子会发生漂移，它们可能被势阱捕获，也可能在介质不均 匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种 介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是空间电荷 极化。它的频率响应最慢 102 s 。
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以 感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极 化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起 主要作用的是束缚电荷。
1、静电场中电介质的极化
在电介质材料的分子中，正、负电荷彼此强烈地束缚 着。在弱电场的作用下，虽正电荷沿电场方向移动，负电 荷逆电场方向移动，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。在电介质内部形成 电偶极矩，而在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应 电荷。
3.2 薄膜组分的表征方法
• 分析内容包括测定表面的元素组成，表 面元素的化学态及元素沿表面横向分布 和纵向深度分布等。
•其中的多数方法都是基于原子在受到激 发以后内层电子排布会发生变化并发生 相应的能量转换过程的原理
1、原子内电子激发及相应的能量过程
（a）-基态电子的内 层电子排布 （b）-K层电子空能 级的形成 （c）-特征X射线的 产生 （d）-俄歇电子的产 生
I jw rC0 w rC0tg V
jw r j rtg C0V ,
I jwC0 r V
其中r 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：
r r jrtg r' jr"
r的实部
' r
电介质材料(压电和铁电材料)
压电陶瓷材料Байду номын сангаас
锆钛酸铅系(PZT)陶瓷, 其化学式为Pb(Zrx, Ti1-x)O3, 是钙 钛矿结构的二元系固溶体，晶胞中B位置可以是Zr4+, 也可以 是Ti4+。居里点随锆钛比变化。根据器件的要求，可以选择 不同的锆钛比。 然而，锆钛酸铅系陶瓷在制备和使用过程中，都会给环 境和人类健康带来很大的损害。近年来，随着环境保护和人 类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的压电陶瓷已 成为世界各国致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通 过了关于"电器和电子设备中限制有害物质"的法令，并定于 2008年实施。其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电 器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电 陶瓷的研究与开发。美国和日本以及我国电子信息产业部也 相继通过了类似的法令，并逐年提高对研制无铅压电陶瓷项 目的支持力度。对新型无铅压电陶瓷的研究和开发也同样受 到了国内科技界与企业界的普遍关注。
小资料：最新的无铅压电材料 任晓兵博士在其论文中提出一种不同于上述机制的全 新原理，该原理利用铁电体在90度畴翻转时产生巨大变形 这一特性，并利用时效点缺陷的对称性性质而产生可回复 的应变(该性质亦为任晓兵博士所发现，X. Ren and K.， Otsuka, 《Nature》, 1997)。任晓兵博士认为，存在点缺陷 的情况下，电畴在电场作用下发生翻转，当电场解除时， 在点缺陷的影响下，畴将回到原来的取向。在200V/mm的 电压下可产生0.75%的巨大可逆变形，是相同电压下PZT形 变量的37.5倍。 值得注意的是，产生这一巨大电致应变的材料为钛酸 钡基材料，这为开发对环境无害的高性能电致应变材料提 供了重要新途径。此项成果发表后，立即引起国际学术界 和工业界的强烈反响。
电介质材料
电介质材料电介质材料是指能够阻碍电流通过的材料，其主要特点是具有很高的绝缘性能。
电介质材料广泛应用于电力系统中，如绝缘体、电缆、电容器等。
下面将对电介质材料进行详细介绍。
首先，电介质材料的分类。
根据其形成过程可以分为天然电介质和人工电介质。
天然电介质包括石英、云母、石蜡等，它们的绝缘性能较好，但成本较高。
人工电介质则是通过一些物理或化学方法制备而得，如聚合物、陶瓷、玻璃纤维等。
人工电介质的制备成本相对较低，并且可以根据需要调整其绝缘性能。
其次，电介质材料的性能。
电介质材料的主要性能包括绝缘强度、介电常数、介质损耗和体积电阻率。
绝缘强度是指电介质材料能够承受的最大电场强度，一般通过对材料施加高压来进行测试。
介电常数是指材料在电场中的响应能力，高介电常数的材料能够存储更多的电荷，因此具有较高的电容性能。
介质损耗是指材料在电场中发生能量损耗的能力，一般通过损耗角正切来衡量。
体积电阻率是指单位体积材料的电阻值，高的体积电阻率意味着材料具有较好的绝缘性能。
最后，电介质材料的应用。
电介质材料主要用于电力系统中，如绝缘体、电缆和电容器等。
在绝缘体中，电介质材料被用来隔离电流，防止电流泄漏或发生短路。
在电缆中，电介质材料被用来包裹导体，提供良好的绝缘性能。
在电容器中，电介质材料被用来作为电容介质，存储电荷并提供电容性能。
总结起来，电介质材料是一类具有很高绝缘性能的材料，广泛应用于电力系统中。
电介质材料的分类主要包括天然电介质和人工电介质，其性能主要包括绝缘强度、介电常数、介质损耗和体积电阻率。
电介质材料的应用主要集中在绝缘体、电缆和电容器等领域。
随着科学技术的进步，电介质材料的性能越来越好，对电力系统的可靠性和性能提升起到了重要作用。
《电介质材料》课件
电介质材料是电子工程领域中的重要组成部分，他们在各种电子设备和应用 中发挥着关键作用。本课件将介绍电介质的基础知识，分类和性能，应用场 景，加工工艺以及未来的发展趋势。
电介质的基础知识
了解电介质的重要性和作用，掌握电介质的基本概念和特性。
1 电介质是什么？
电介质是材料中不带自由电荷的绝缘体。
研发可回收和环保的电介质材料，降低对环境的影响。
结语
电介质材料是现代电子工程中不可或缺的一部分，在各种电子设备和应用中 发挥着重要的作用。希望本课件对您有所帮助，谢谢！
对加工后的电介质材料进行性能测试，确 保产品质量符合要求。
电介质材料的未来发展趋势
展望未来，电介质材料将继续发展和创新，满足不断增长的电子设备需求。
高性能纳米材料
纳米电介质材料的研究和应用将推动电子设备性能的飞跃的电介质材料将开启新一代电子元件的时代。
可回收与环保
医疗设备
电介质应用于医疗成像、激光治疗 和心脏起搏器等高精度设备中。
电介质材料的加工工艺
了解电介质材料的加工过程和技术，以及相关的工艺要点和注意事项。
1
材料选择和预处理
选择适合的电介质材料，并进行清洁和表
成型和加工
2
面处理。
采用模塑、注塑、烧结等技术对电介质材
料进行成型和加工。
3
性能测试和质量控制
性能指标
介电常数、损耗因子、介电强度 等是评估电介质性能的关键参数。
电介质的应用场景
电介质材料广泛应用于各个领域的电子设备中，提升了电子产品的性能和可靠性。
智能手机
电介质用于电池、屏幕、电容器等 部件，实现了更高的能效和更好的 用户体验。
电力系统
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
phf第九章导体和电介质中的静电场ElectrostaticFieldin-精选文档
通常取微法（ F ）、皮法（pF）作为电容的单位
1F=106F=1012pF
•
非孤立导体的电容
• 此时带电导体的电势不仅与自己所带的电荷有关，且与周 围导体的形状、位置及其带电状况带电体都有关系。即非
导体的静电屏蔽作用是自然界存在两类电荷与导体中存在
大量自由电子的结果。
从静电屏蔽的最后结果看，因为导体内部场强为零，电场
线都终止在导体表面上，犹如电场线不能穿透金属导体， 但这里的电场线代表所有电荷共同产生的电场。
§9-3
电容器(capacitor)的电容(capacity)
• 孤立导体的电容
孤立导体的电势与其电荷量不成正比。
• 采用静电屏蔽的原理来消除其他导体的影响 （参见 P95 例题 9－ 2）球 A 在球 B的影响下电势发生了变化， 但两球的电势差恒保持不变
1 1 q 4 因此 0 V V r R 1 r R
1
q 1 1 V V r R 4 R 0 r 1
的场强 与该表面的电荷面密度成正比，方向垂直于表面：
E表面 en
0
这一结论对孤立导体和处于外电 场中的任意导体均适用
对孤立导体，表面各处的面电荷密度和该处表面的曲率有关。 一般而言，曲率大处，面电荷密度大。
§9-2
空腔导体内外的静电场
• 导体空腔内无带电体 • 不论导体空腔是自身带电还是
带电体的电荷分布无关。
• 腔外空间的电场由腔内带电体和外加电 场在外表面产生的感应电荷共同确定。
E P 0, EQ 0 EO 0
材料性能学名词解释
材料性能学名词解释第⼀章（单向静载下⼒学性能）弹性变形：材料受载后产⽣变形，卸载后这部分变形消逝，材料恢复到原来的状态的性质。
塑性变形：微观结构的相邻部分产⽣永久性位移，并不引起材料破裂的现象弹性极限：弹性变形过度到弹-塑性变形(屈服变形)时的应⼒。
弹性⽐功：弹性变形过程中吸收变形功的能⼒。
包申格效应：材料预先加载产⽣少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余应⼒（弹性极限或屈服强度）增加；反向加载，规定残余应⼒降低的现象。
弹性模量：⼯程上被称为材料的刚度，表征材料对弹性变形的抗⼒。
实质是产⽣100%弹性变形所需的应⼒。
滞弹性：快速加载或卸载后，材料随时间的延长⽽产⽣的附加弹性应变的性能。
内耗：加载时材料吸收的变形功⼤于卸载是材料释放的变形功，即有部分变形功倍材料吸收，这部分被吸收的功称为材料的内耗。
韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能⼒。
超塑性：在⼀定条件下，呈现⾮常⼤的伸长率（约1000%）⽽不发⽣缩颈和断裂的现象。
韧窝：微孔聚集形断裂后的微观断⼝。
第⼆章（其他静载下⼒学性能）应⼒状态软性系数：不同加载条件下材料中最⼤切应⼒与正应⼒的⽐值。
剪切弹性模量：材料在扭转过程中，扭矩与切应变的⽐值。
缺⼝敏感度：常⽤试样的抗拉强度与缺⼝试样的抗拉强度的⽐值。
NSR硬度：表征材料软硬程度的⼀种性能。
⼀般认为⼀定体积内材料表⾯抵抗变形或破裂的能⼒。
抗弯强度:指材料抵抗弯曲不断裂的能⼒，主要⽤于考察陶瓷等脆性材料的强度。
第三章（冲击韧性低温脆性）冲击韧度：⼀次冲断时，冲击功与缺⼝处截⾯积的⽐值。
冲击吸收功：冲击弯曲试验中，试样变形和断裂所吸收的功。
低温脆性：当试验温度低于某⼀温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态。
韧脆转变温度：材料在某⼀温度t下由韧变脆，冲击功明显下降。
该温度即韧脆转变温度。
迟屈服：⽤⾼于材料屈服极限的载荷以⾼加载速度作⽤于体⼼⽴⽅结构材料时，瞬间并不屈服，需在该应⼒下保持⼀段时间后才屈服的现象。
第九章 第一节 电介质的极化概要
2）液体介质可分为非极性、极性和强极性3种。
非极性（或弱极性）液体的相对介电常数在 1.8~2.5，变压器油等矿物油属此类。
极性液体的相对介电常数在2~6，如蓖麻油、氯 化联苯即属此类。 强极性液体的相对介电常数很大（>10），如酒 精、水等，但这类液体介质的电导也很大，所以不 能用做绝缘材料。
速度通常在红外线频率范围，亦可在所有频率范围发生。 离子式极化也具有弹性，亦属于无损极化。
3. 偶极子式极化—有损极化
在极性分子结构的电介质中，当有外电场作用时， 偶极子受到电场力的作用而转向电场的方向，这种 极化被称为偶极子式极化，或转向极化。
图9-4 偶极子式极化 （a）无外加电场；（b）有外加电场
5.夹层极化---有损极化
夹层极化是多层电解质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。 在高电压工程中，许多设备的绝缘都是采用这种复合绝缘，如电缆、电容 器、电机和变压器的绕组等，在两层介质之间常有油层、胶层等形成多层 介质结构。对于不均匀的或含有杂质的介质，或者受潮的介质，事实上也 可以等价为这种夹层介质来看待。夹层介质在电场作用下得极化称为夹层 极化，其极化过程特别缓慢，所需时间由几秒到几十分钟，甚至更长，且 极化过程伴随有较大的能量损耗，所以也属于有损极化。夹层极化的发生 是由于各层电解质的介电常数不同，其电导率也不同，当加上电压后各层 间的电场分布将会出现从加压初始瞬时按介电常数成反比分布，逐渐过渡 到稳态时的按电导率成反比分布，由此在各层电介质中出现了一个电压重 新分配的过程，最终导致在各层介质的交界面上出现宏观上的空间电荷堆 积，形成所谓的夹层极化。
第9章-静电场中的导体和电介质
E 加上外电场后 外 E外
把金属导体置于外电场 中，自由电子将产生宏 观定向运动，导体中电 荷按照外电场特性和导 体形状形成特定的分布
在外电场作用下，引起 导体中电荷重新分布而呈 现出的带电现象，称为
静电感应现象 Electrostatic Induction
问：这种静电感应的过程是否会一直进行下去？
辨析
0 一块无限大均匀带电导体薄板，电荷面密度为 0
问：在它附近一点的场强＝？
解：由无限大带电均匀平面两侧的场强公式，得
二、导体处于静电平衡状态时的场强分布
导体外部近表面处场强 E
方向:与该处导体表面垂直
E
0
n
大小:与该处导体表面电荷面密度 成正比。 E(nˆ )
0
S
ES
S 0
ΔS
P
E
0
E内＝0
讨论：导体表面附近的场强公式
E
0
指导体表面附近场点近旁的导体电荷面密度
一、静电感应 导体的静电平衡条件
无外电场时
无外电场时，导体中 自由电子在金属内作无 规则热运动，而没有宏 观定向运动，整个导体 呈现电中性
无外电场时
导体的静电感应过程
E 外
加上外电场后
导体的静电感应过程
E 外
+
加上外电场后
导体的静电感应过程
E 外
+
+
加上外电场后
导体的静电感应过程
E 外
+ +
E 外
+ + + + +
第九章-电介质材料-压电热释电铁电介质材料_2
➢1756年，德国物理学家 Aepinus（电容器发明者）研究电气石产生 电的行为，第一次观测到温度改变引起的电极化现象。
➢1824 年，苏格兰物理学家 D.Brewster将这种产生电的行为称为热电 性。1817 年，法国矿物学家 RenéJust Heuy 第一次提到了压电效应。
➢1880 年，法国物理学家居里兄弟发现石英具有压电性：当重物放在 石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。 他们 所报导的这些晶体中就有后来广为研究的罗息盐(酒石酸钾钠－ NaKC4H4O6．4H2O)。
13
▪1881年 李普曼(G. Lippman)根据能量守恒和电荷量守恒的原理， 推测逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 的存在，这一预 言很快就被居里兄弟用实验所证实。
剩余极化强度
剩余伸长 (c)极化处理后
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
自由电荷 束缚电荷
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
22
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，就是正 压电效应。
➢外界的作用（如压力或电场的作用）使该剩余极化 强度发生变化，导致陶瓷出现（充放电或形变）压电 效应。
第9章导体和电介质中的静电场(精)
第第九九章章导导体体和和电电介介质质中中的的静静电电场场引言：一、导体、电介质、半导体导体：导电性能很好的材料；例如：各种金属、电解质溶液。
电介质（绝缘体）：导电性能很差的材料；例如：云母、胶木等。
半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的材料；二、本章内容简介三、本章重点和难点1. 重点（1）导体的静电平衡性质；（2）空腔导体及静电屏蔽；（3）电容、电容器；2. 难点导体静电平衡下电场强度矢量、电势和电荷分布的计算；第一节静电场中的导体一、静电感应静电平衡1. 静电感应（1）金属导体的电结构从微观角度来看，金属导体是由带正电的晶格点阵和自由电子构成，晶格不动，相当于骨架，而自由电子可自由运动，充满整个导体，是公有化的。
例如：金属铜中的自由电子密度为：nCu=8⨯1028(m-3)。
当没有外电场时，导体中的正负电荷等量均匀分布，宏观上呈电中性。
（2）静电感应当导体处于外电场E0中时，电子受力后作定向运动，引起导体中电荷的重新分布。
结果在导体一侧因电子的堆积而出现负电荷，在另一侧因相对缺少负电荷而出现正电荷。
这就是静电感应现象，出现的电荷叫感应电荷。
2. 静电平衡不管导体原来是否带电和有无外电场的作用，导体内部和表面都没有电荷的宏观定向运动的状态称为导体的静电平衡状态。
（a）自由电子定向运动（b）静电平衡状态3. 静电平衡条件（静电平衡态下导体的电性质）（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；导体表面处电场强度的方向，都与导体表面垂直。
（2）在静电平衡时，导体内上的电势处处相等，导体是一个等势体。
E证明：假设导体表面电场强度有切向分量，即τ≠0，则自由电子将沿导体表面有宏观定向运动，导体未达到静电平衡状态，和命题条件矛盾。
dUdU =0,=0E内=0，Eτ=0dldτ因为，所以，即导体为等势体，导体表面为等势面。
二、静电平衡时导体上电荷的分布1. 实心导体（1）处于静电平衡态的实心导体，其内部各处净电荷为零，电荷只能分布于导体外表面。
大学物理课件第九章
R2
34
仿以上两种方法，同学们可自行计
算得如下结果
q
q qQ
Ur 2 40r2 40R2 40R3
静电场中的导体
U r3 40R3
(3)接地后
q
ε E1=4π
r2
0
E2 = 0
E3 = 0
静电场中的导体
U r4 40r4
R2 R1
q q R0
7 静电屏蔽
静电场中的导体
球体的电势
方法一：
U r1 E dl
r1
R1
E1
dr
R2
E2
dr
r1
R1
R3
E3
dr
E4
dr
R2
R3
R2 R1
q
4 0r22
dr
R3
4 0r42
dr
q q qQ
F
F
电偶极矩趋于外电场的方向
有极分子的无序排列
注意
介质表面出现极化电荷，介质内产生极化电场
1)极化作用将在电介质表面产生束缚电荷;
2)束缚电荷产生附加电场 E.
二、电极化强度
1. 电极化强度: 在电介质中任取一宏观小体积V :
无外场 介质不极化
p0
有外场 介质被极化 p 0
定义： P p
l
VP VQ
与导体是一等势体矛盾.
P+
(2) 腔内有带电体+q ：
腔体内表面所带的电量和腔内带电体所带的电量等量异
电介质材料的制备及其应用分析
电介质材料的制备及其应用分析电介质材料是电子产品中常用的一种材料。
在现代电子技术中，电介质材料有着非常广泛的应用，例如在电容器、绝缘材料等方面都有着不可或缺的作用。
本文将从电介质材料的制备及其应用两个方面来进行分析。
一、电介质材料的制备电介质材料的制备通常需要经过多个步骤来完成。
制备过程中需要先选择合适的基础材料，在此基础上进行表面处理和改性，然后再进行压制、成型等工艺，最终形成成品。
下面将从这些方面来分别介绍电介质材料的制备。
1. 基础材料的选择电介质材料的基础材料有很多，例如氧化铝、聚苯乙烯、聚氨酯等。
制备过程中需要结合具体的使用场景和材料的性能来选择合适的基础材料。
例如对于需要经常承受高温和高压力的电子元件来说，就需要选择高温高压力下能够保持稳定性能的基础材料。
2. 表面处理和改性在选择好基础材料之后，需要对其进行表面处理和改性。
表面处理的目的是使材料表面具有一定的粘附性，能够更好地与其他材料进行结合。
改性则是通过物料结构与组成的改变来提高材料的性能。
例如对聚氨酯材料进行改性，可以提高其耐热性和耐腐蚀性。
3. 压制、成型进行表面处理和改性之后，需要进行压制、成型等工艺，以便将材料进行成品制造。
这个过程可以使用多种工艺，例如注塑、挤出、压延等。
不同的工艺对于不同的基础材料和产品需要有不同的工艺选择，以保证成品的生产效率和质量。
二、电介质材料的应用分析电介质材料有着广泛的应用场景，在电子元件制造、高速通讯、新能源等领域都有其独特的应用。
在下文中，将分别对这些领域对电介质材料的应用进行介绍。
1. 电子元件制造电介质材料是电子元器件中常用的材料之一。
例如在电容器、电感器等电子元件中，电介质材料可以起到很好的绝缘和电容效果，提高电子元件的稳定性和耐用性。
同时由于电介质材料还可以根据具体应用场景进行自定义改性，因此也会有更多的新颖应用。
2. 高速通讯在高速通讯领域中，电介质材料也有着很重要的作用。
例如在光纤通讯中，电介质材料可以用作高温高压的纤维材料，以帮助传输光信号。
第九章-2电介质与电场的能量
极化面电荷与自由面电荷的关系
0 (1
1
r
)
极化电荷密度总是小于自由电荷的密度
三、电介质中的电场强度
＋
总场强是自由电荷与极化电荷产生的场强之和：
E E E ,E E total 0 total 0
介质外的场强不变， 介质内的场强减小, 但不等于零！ 如何计算有介质时介质内部的电场强度?
静电场的能量计算方法： ①先求电场强度分布
e e e 2 E W w d V Ww d V 0r d V ②d
e
2
例3 计算球形电容器的能量，设电容 器中充满介电系数为的电介质。 解：
1 2 W E dV E 2 V
q
q
dr
rR A
RB
电场强度:
q E 4r 2
2）有极分子电介质
H
H
+ p F - i
F
E0
104
+ +
E
o
无外场
p i 0
pi 0
i
+
外场中(转向极化)
p i 0
pi 0
i
出现束缚电荷和附加电场 分子电矩在外电场的作用下发生旋转，从而使电介质 极化——称为转向极化。 位移极化和转向极化微观机制不同，宏观效果相同。
在电磁波的传播中，如通讯工程中能充分说明： 场才是能量的携带者。 以电容器为例，通过电容器的 能量来说明电场的能量。 •电容器充放电的过程是能量 从电源到用电器，（如灯炮） 上消耗的过程。
C
I
R
一、电容器的电能
电容器冲电过程中,电量 d q 在电场力的作用下， 从负极板→正极板，这微小过程中外力克服静电力 1 作功为：
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各种极化的温度系数：
电子位移极化的温度系数： 具有不大的负温度系数 离子位移极化的温度系数：具有正的温度系数 松弛极化的温度系数：可能出现极大值
24
当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质 的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数 可由定义式微分得到，即：
TK x1TK1 x2TK 2
16
① 极化能力的表征 ——介电常数
定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的
电容量C0的比值为该电介质的相对介电常数：
r
C
C0
0
D E
r
D
E 0
D ：介质中的电位移，仅与自由电荷的密度有关； E ：介质中的总电场强度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。
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电介质=绝缘体?
物质对电场的两种响应方式：传导和极化。 传导性：绝缘体、半导体与导体； 极化特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体、 热释电体等电介质。
绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。 半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场 的响应中传导效应远远超过了极化效应。
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的介质，有效电场与外电场的关系为：
Ee
r
3
2
E
在离子晶体中，Ee与离子种类、晶体结构等有关。
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影响介电常数的宏观因素：
宏观量：温度 T 频率 f
r
1
n 0Ee 0E
微观量：单位体积内的极化粒子数n0
极化率α
有效电场Ee
Ee：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介 质与外电场有关；在离子晶体中，与离子种类、晶 体结构等有关。
缓慢极化需要经过一段时间才能达到 相应电场下的最大极化值；
V 若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为
μ
，则有：
对于线性极化，μ
P n0μ
与电场强度成正比，有：
μ Ee
Ee ：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；
：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。
P n0 Ee
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原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3
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。
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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。
6.1
110
2000
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 104
巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~105
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②复介电常数
恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数
为一恒定值。
对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压， 则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相）
Q C0U C0U0eit
四、电介质的物理性质
电介质材料的三个基本参数： 介电常数、介电损耗、介电强度
1. 介电常数
介电性： 将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极
之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空 为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电 性。 介电常数：用来表示材料介电性的大小的参数。
S Q' d
εr
Q0 Q' Q0
1
Q' Q0
C0
Q0 U
C0
ε0 S d
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影响介电常数的微观因素：
提高单位体积内的极化粒子数n0；
r
1
n 0Ee 0E
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Ee。
对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序
静电感应现象
什么是极化？ 在电场作用下，
电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象
4
二、极化的微观机制
1 电介质－是由大量电中性的分子组成。 紧束缚的正、负电荷在外电场中要发生变化。
2 电介质的分子：
①无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
第九章-电介质材料
1
电介质基本物理性能（重点）
一、简介 二、电介质分类 三、极化类型 四、电介质的物理性质
2
一、简 介
电介质材料定义： 在电场作用下，能建立极化的一切物质。
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。
电介质的主要性能： 介电常数、介电损耗因子、介电强度。
3
一、简 介
比位移极化移动较大距离，建立的时间较慢，约为10-2 s；
移动时需克服一定的势垒，需吸收一定的能量，是非可逆 的过程； 离子松弛极化率与温度成反比；热运动越剧烈对弱离子规 则运动阻碍越大。
离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料 大的介电常数。
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(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；
介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值
越大，极化能力越强。 电容器介质的介电常数越大，电容器存储电荷的能
力越强。
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① 极化能力的表征 ——介电常数 电介质提高电容量的原因：
由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性 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。
随温度变化 有 有极大值
随温度升高 有
而减小
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电介质定义的解析：
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过，而以 感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称。
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极 化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中 起主要作用的是束缚电荷。
物质对电场的响应分为： 传导（自由电荷的长程移动） 感应（束缚电荷的短程运动）
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3、偶极子转向极化
E0
受到分子热运动的无序化作用、电场的有序作用 和分子间的相互作用，建立时间较长。 非弹性的、随温度的升高而下降、响应时间较长
9
3、偶极子转向极化
10
4、松弛（弛豫）极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。
松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱， 电场力 使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。
（2）有极分子：正负电荷重心不重合， u分子 0
+-
E0
固有偶极矩
取向极化
++-
+-
例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。
6
三、极化的类型
电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、
松弛极化、空间电荷极化等
1、电子位移极化
电场作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生 位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。存 在于一切介质中。
应用：热稳定陶瓷电容器
用一种TKε值为很小正值的晶体作为主晶体，加入 另一种具有负TKε值的晶体。调节TKε到最小值。
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⑤介质极化强度和极化率
极化强度矢量 ，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：
P lim i
V 0 V
单位为：C/m2
若介质中的电场是均匀的，则有： P i
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： μ Q' d
U
极化强度：
P Q'd Q' Sd S
r
-1Q0
r
-1UC0
r
-1U 0
S d
S
S
S
P r -10E P n0Ee
r
1
n 0Ee 0E
空间电荷 极化
极化的电 介质种类 一切陶瓷
离子结构
离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
结构不均 匀的材料
极化的频 率范围
直流—— 光频
直流—— 红外
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 高频
与温度的关 能量消耗 系
无关
无
温度升高极 很弱 化增强
随温度变化 有 有极大值
随温度变化 有 有极大值
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， 在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为瞬时极化。
瞬时极化与交变电场完全同步，
其极化强度与电场间没有相位差。
+
偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化建立的时间较长， 称为缓慢极化，也称弛豫极化。
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②复介电常数
由于： G S d
C S d
故电流密度为： j (i )E
另：电流密度 可收可表示为：
j i *E
故可定义复介电常数： * * i
i
损耗角定义为：
tan
损耗项 电容项
iC0U
U