第七章-无机材料的介电性能

❖ c) 温度对极性介质εr有影响。温度高，分 子热运动加剧，妨碍它们沿电场方向取向，
使极化减弱，故极性气体介质常具有负温
度系数，对液体、固体介质，温度过低， 分子间联系紧(如液体介质粘度很大)，分 子难以转向，εr变小(只有电子式极化)，极 性液体、固体εr在低温下先随温度升高而 增加，当热运动变得较强烈时，εr又随温 度上升而减小。
❖ 空间电荷极化特点： ❖ ａ) 其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数
十余小时。 ❖ ｂ) 属非弹性极化，有能量损耗。 ❖ ｃ) 随温度升高下降。温度升高，离子运动
加剧，离子扩散容易，空间电荷积聚减小。 ❖ ｄ) 与电源频率有关，主要存在于低频至超
低频阶段，高频时，因空间电荷来不及移动， 没有或很少有这种极化现象。
❖ TKε为负：负温度系数(NTC)，热补偿 电容器;
❖ TKε接近0值：要求电容量热稳定度高 回路中电容器和高精度电子仪器中电 容器。
❖ 电子式极化，TKε为负，温度升高时，介质密度 降低，极化强度P降低;
❖ 离子式极化，Tkε为正； ❖ 松弛极化，TKε可正，可负，某个温度时，ε可
出现最大值。
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。
第二节 电介质损耗
❖ 电场作用下能量损耗，由电能 转变为其它形式能，如热能、光能 等，统称为介质损耗。它是导致电 介质发生热击穿根源。电介质在单 位时间内消耗能量称为电介质损耗 功率，简称电介质损耗。
损耗形式
❖1、电导损耗：在电场作用下，介质 会有泄漏电流流过，由漏导电流引 起电导损耗。
❖2、极化损耗：由各种介质极化建立 所造成电流引起损耗。
❖ 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
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)
❖ 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
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。
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。
❖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。
❖ 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。
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
❖ 从材料开发，如瓷介电容器，根据不同用途，来 确定不同TKε要求。
❖ 任务：获得TKε接近于零而ε尽可能高材料有效 途径是--→混合。
❖ TKε用不同温度系数材料来混合(易调)，对ε，要 求混合尽可能均匀， 一般ε不大，在金红石瓷中 加低入TK一ε。定提数高量热稀稳土定氧性化，物并La使2Oε仍3、然Y保2O持3等较，高可数降 值。
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
空间电荷极化
工频 声频 无线电 红外
极化率和介电常数与频率关系
紫外
C）介电常数温度系数
❖ 电子陶瓷： ❖ 1、介电常数与温度成典型非线性陶瓷介质。 ❖ 2、介电常数与温度成线性陶瓷介质。 ❖ 介电常数温度系数是指随温度变化，介电常
数相对变化率。
TK1 3d dT 0 t0(tt t0 0)
❖ 实际工作，TKε为正：正温度系数 (PTC)，滤波电路和隔直流电容器；
❖ 偶极子转向极化率
or
2 0
3k T
4） 空间电荷极化
空间电荷极化发生在不均匀介质中。电场作 用下，不均匀介质内部正、负离子分别向负、正 极移动引起瓷体内各点离子密度变化，出现电偶 极矩。这种极化称为空间电荷极化。电极附近积 聚电荷是空间电荷。晶面、相界、晶格畸变、杂 质等缺陷区都可成为自由电荷运动障碍。这些障 碍处，自由电荷积聚，形成空间电荷极化。宏观 不均匀性，如夹层、气泡也可形成空间电荷极化， 这种极化为界面极化。由于空间电荷积聚，可形 成很高与外电场方向相反电场，又称高压式极化。
离子位移极化极化率，NaCl模型
❖ 求离子位移极化极化率，有模型(NaCl例):
❖ △r不大，有：qEloc = k△r ❖ μ = αiEloc = q △r∴ αi = q2/k
❖ 求 子 m2α对为i关固正键有负是谐离求振子k频质，，量求用，k方实ω法0验、有方ν：0法为i)求固根取有据。谐正设振、m角负1、频离 率和固有谐振频率。求离子极化率。
❖3、游离损耗：气体间隙中电晕损耗 和液、固绝缘体中局部放电引起功 率损耗。
气体电导损耗很小，液体、固体电导损 耗与结构有关。非极性液体电介质、无机晶 体和非极性有机电介质介质损耗主要是电导 损耗。而在极性电介质及结构不紧密离子固 体电介质中，主要由极化损耗和电导损耗组 成。它们介质损耗较大，在一定温度和频率 上出现峰值。
离子
❖ 3、含有尺寸小、电荷大、易产生离子位移阳 离子
❖ 电场作用下，两类离子通过晶体内附加电场 产生强烈极化，导致相对高介电常数。
7） 无机材料极化
❖ a) 多晶多相无机材料极化： ❖ 混合物法则(与电导混合类似)
❖ 两相存在时，有ε1、ε2 及X1 + X2 = 1
❖ 利用并联电容器模型： ε = X1ε1 + X2ε2 ❖ 利用串联电容器模型： ε-1 = X1ε1-1 + X2ε2-1 ❖ 一般情况下为： εk = X1ε1k + X2ε2k ❖ k = -1 ，串联模式，k = 1， 并联模式，一般情
i
a3 4
n 1
0
3）转向极化即偶极子极化
❖ 偶极子正负电荷中心不重合，好象分子一端带正 电荷，另一端带负电荷，形成一个永久偶极矩。 电场作用下，原混乱分布极性分子顺电场方向排 列，显示极性。偶极子极化存在于极性电介质中， 特点：
❖ a) 极化是非弹性，消耗电场能在复原时不可能 收回。
❖ b) 形成极化需时间较长，约为10-10～10-2ｓ， 其及ε转r与动电，源因频而率其有εr关减系小，。频率很高，偶极子来不
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)
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。
5）松弛极化
❖ 热松弛极化：热运动是松弛质点混乱，电场 使质点按规律分布，最后在一定温度下发生
极化。δ位移
❖ 需时长：10-2-10-9s ❖ 吸收能量，不可逆 ❖ 离子松弛极化 ❖ 电子松弛极化
T
q2 2
12 k T
6）高介晶体极化
❖ 介电常数大晶体具备条件是： ❖ 1、有比较特殊点阵结构 ❖ 2、含有尺寸大、电荷小、电子壳层易变形阴
❖ 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。
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
❖ b) 陶瓷介质极化 ❖ 多晶多相材料，有多种极化机制：
❖ 电子位移极化：金红石瓷、钙钛矿瓷以及某 些含锆陶瓷;
❖ 离子位移极化材料，刚玉、斜顽辉石为基础 陶瓷以及碱性氧化物含量不多玻璃;
❖ 有显著离子松弛极化与电子松弛极化材料， 如电瓷、碱玻璃和高温含钛陶瓷。
极
电子极化
Hale Waihona Puke Baidu
化
率
离子极化
或
松弛极化
❖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
况，k介于-1与+1之间，对上式求ε全微分有：
❖ kεk-1dε = X1kε1k-1dε1 + X2kε2k-1dε2
❖ 当k→0时，有： 对其积分得： lnε = X1lnε1 + X2lnε2
❖ ----此式适用于两相介电常数差别不大且分布 较为均匀情况。
❖ 球形颗粒均匀分散在介电常数为εm基相中时， 可用Maxwell关系来描述。