第七章-无机材料的介电性能

离子位移极化极化率，NaCl模型
❖3） 转向极化：极性电介质中，存
在固有偶极矩μ0。无外电场时，混 乱排列，而使∑μi=0， 在外电场时， 偶极转向，成定向排列，从而使电
介质极化。
❖4） 空间电荷极化：非均匀介质中， 在电场作用下，原先混乱排布正、
负自由电荷发生趋向有规则运动过 程，使正极板附近积聚较多负电荷， 空间电荷重新分布，实际形成介质 极化。
❖ 研究电子位移极化，关键是计算电子极化 率，有两种模型：(1) 一个点状核球状负电 壳体模型。（如图）将中性分子视为由+Q 核和具有均匀电荷密度，半径为r带负电球 状电子云。外电场E不改变电子云形状，
而使核中心沿电场方向移动到离原中心距 离为x新位置，当驱动力F=QEi与原子体系 内弹性恢复力(实为库仑力)F相等，为平衡
5）自发极化 无外电场作用，由晶体中晶
胞存在固有电矩。铁电体
有效电场
❖ 对一个分子，总与除它自身以外的其它分子相隔开， 又与其周围分子相互作用，没有外电场作用，介质 中每一分子处在周围分子作用下；当外部施加电场， 由于感应作用，分子发生极化，产生感应偶极矩， 成为偶极分子，它们又转而作用于被考察分子，改 变原来分子间相互作用。作用在被考察分子上有效 电场与宏观电场不同，它是外加宏观电场与周围极 化分子对被考察分子相互作用电场之和。
❖ 介质中偶极子微观极化特征可用μ来表征
❖ 对微观结构来说，一个分子受到电场作用是有效分 子电场或称局部电场Eloc。
❖ 洛伦兹关系式（原子位置上的局部电场）
1
ElocE外E1E2E3E30P
❖外加电场E外:由物体外部固定电荷所 产生电场.
❖退极化场E1:由介质外表面上表面电 荷密度所产生对抗外加电场。
第一节 介质极化
❖ 1 、定义及有关物理量
❖ 偶极子
❖ 由大小相等、符号相反、彼此相距为l两 电荷(+q、-q)所组成系统。其极性大小 和方向常用偶极矩来表示(方向：由负电 荷指向正电荷)
❖ 单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位 正、负电荷间距2nm时偶极矩。
极化率和极化强度
❖ 极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩大
真空比较接近。而常用液体、固体介质相对 介电常数则各不相同，大多数为2～6。
常见材料相对介电常数
材料类型
相对介电常数εr
极性材料 强极性气体（如水蒸汽）略大于1
极性液体
3～6
绝缘材料 均匀固体绝缘材料
2～6
多种电介质组成不均匀 绝缘材料
εr有可能高于组成它 任一种介质εr。如未 浸渍电缆纸εr＝2.34， 油εr＝2.33，而浸渍 纸εr达3.87。
第六章 无机材料介电性能
❖ 第一节 介质极化 ❖ 第二节 介质损耗 ❖ 第三节 介电强度 ❖ 第四节 铁电型 ❖ 第五节 压电性
❖ 电介质：在电场作用下，能建立极化一切物 质。
❖ 电介质极化：电介质在电场作用下产生感应 电荷现象。
❖ 介电常数ε
❖ 相对介电常数εr ❖ 各种气体相对介电常数都接近于1，与空气及
❖洛伦兹场E2: ❖空腔内其他偶极子电场E3:
❖ 2、克劳修斯-莫索蒂方程
r 1 n r 2 30
❖ 建立宏观量介电常数εr与微观量极化率α关 系，n单位体积中极化质点数。
ε ❖ 0=8.85×10-12F/m（法拉/米）
克劳修期一莫索蒂方程
❖ 克劳修期一莫索蒂方程（Clausius-mosotti
圆周轨道模型(玻尔模型)
2）离子位移极化
❖ 离子极化存在于具离子式结构固体无机化合 物中，如云母、陶瓷材料等，特点：
❖ a)形成极化所需时间极短，约为10-13ｓ，在 一般频率范围内，可认为εr与频率无关；
❖ b) 属弹性极化，几乎没有能量损耗。
❖ c) 温度对极化影响，存在两个相反因素：温 度升高离子间结合力降低，极化程度增加， 离子密度随温度升高而减小，极化程度降低。 前 数一，种温度因升素高影，响出较现大极，化故程εr一度般增具强有趋正势温特度征系。
极化类型
❖ 1） 电子式极化：没有受电场作用时， 组成电介质分子或原子所带正负电荷中 心重合，对外呈中性。受电场作用时， 正、负电荷中心产生相对位移(电子云发 生变化使正、负电荷中心分离物理过程)， 中性分子则转化为偶极子，产生电子位 移极化或电子形变极化。
❖ 2） 离子式极化：离子晶体中，无电场 作用时，离子处在正常结点位置并对外 保持电中性，在电场作用下，正、负离 子产生相对位移，破坏原先呈电中性分 布状态，电荷重新分布，相当于从中性 分子转变为偶极子，产生离子位移极化。
❖ 存在于一切气体、液体及固体介质中。具有如下特 点：
❖ a)形成极化需时间极短(因电子质量极小)，约10-15 ｓ，故其εr不随频率变化；
❖ b)具弹性，外电场去掉，作用中心又会重合而整个 呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。
❖ c)温度对电子式极化影响不大。温度升高介质略有 膨胀，单位体积内分子数减少，引起εr略为下降， 即εr具有不大负温度系数。
位置。由高斯定理知恢复力只是总电荷包 含在半径为x小球内部那部分电荷引起。
具有一个点状核球状负电壳体模型
❖ (2) 圆周轨道模型(玻尔模型)
❖ 一个点电荷绕核作圆周运动，在电场作用下， 轨道沿电场反方向移动距离x，（如下图）：
❖ 由玻尔模型可计算出电子极化率为：
4 3
0
R3
❖ 电子极化率大小与原子半径有关
equation）
r 1 n r 2 30
❖ 表征极化特性宏观参数----介电常数与微观参数---分子极化率α联系起来，同时提供计算介电性能参 数方法。
❖ 适合分子间作用力很弱气体、非极性液体、非极性 固体及一些NaCl型离子晶体和具有适当对称性固体。
极化类型分述
❖ 1）电子位移极化 (Electronic Polarizability)
小称为质点极化率，用α表示。(法.米2)只与
材料性质有关。
E loc
❖ 极化强度：单位体积内电偶极矩总和称为极
化强度，用P表示。(库/米2)
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❖ 极化系数
p 0E
p
V
介质总极化
❖ 1、电子极化 ❖ 2、离子极化 ❖ 3、偶极子转向极化 ❖ 两种基本形式 ❖ 1、位移式极化 ❖ 2、松弛极化