电介质理论基础

化学结构不对称，介电常数εr=2.6～80,体 强极性电介质,μ0>1.5D
电阻率高于非极性电介质
石英，云母，金红石型离子晶体
离子性电介质: 通常由正负离子组成 玻璃陶瓷
关系
2.1.5 电介质极化的基本类型 2.1.6 实际电介质的极化及其介电常数(略)
2.1.1电介质的极化现象
2.1.1电介质的极化
2.1.1电介质的极化
2.1.2电介质的介电常数
r
0
2.1.2电介质的介电常数
2.1.3 极化强度和极化率
电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P
表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极
第二章 电介质理论基础
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（dielectric） ：电阻率很大,导电性 能很差的物质,可看作理想的绝缘体，无自由 电荷。
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。
矩，可表示为：
V
P lim V
宏观上无限小微观 上无限大的体积元
极化强度的单位为库仑/米2 (C/m2)
V
pi
每个分子的 电偶极矩
2.1.3 极化强度和极化率
从微观上, 极化强度是电介质单位体积中所有极化 粒子偶极矩的向量和, P = n0.,
对线性极化, =Ee, ---原子分子离子的极化率, Ee---有效电场
微观：电偶极矩 p分子 0，(l 0)
宏观：中性不带电
↘↗↙→← ↓→↗↘↙ ↙↓↙↗↘
E0 0
无极分子
±±±±± ±±±±±
±±±±±
p分子
0
有极分子
↘↗↙→← ↓→↗↘↙ ↙↓↙↗↘
E0 0
p分子
0
极化性质： 位移极化
取向极化
后果：出现极化电荷（不能自由移动）→束缚电荷
E
退极化场
退极化场（附加场E）
本章主要讨论在外电场下的几个基本特征，并 对电介质的非电性能作简要介绍。
本章以各向同性、线性且均匀的电介质为例， 分析他们在电场中的行为。
2.0 电介质概述
在讨论电介质的极化时，通常针对各向同性 线性均匀电介质在电场中的行为。
所说的均匀是指电介质的性质不随空间坐标 发生变化，
所说的各向同性是指电介质的参数不随场量 的方向发生变化，
一般具有对称的化学结构，介电常数
对称结构的多原子分子
εr=2～5,体电阻率ρv=1014～1016Ω·m化 学惰性，性能稳定
极性电介质:
无外电场作用时，由正负 电荷中心不重合，具有固
(CO2,CCl4,CnH2n+2等) 弱极性电介质,μ0≤0.5D 中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
有偶极矩的分子组成
2.0 电介质概述
电介质极化特点：内部场强一般不为零。
电介质能以感应而非传导的方式来传递磁场信息 电介质材料一般特性的基本知识: 恒定电场中电介质的极化过程，包括其介电常
数、有效电场的概念、极化类型等；恒定电厂 中电介质电导特性，包括电导现象、物理参数； 交变场的介电损耗，以及强电场中的介电击穿 等
E0
E
0 0
0
1
0
( 0
)
U
Ed
Q0 C
d
0r S
Q0
d
0 r
0
d
r
E0
E E0
r
Q r 1 E E0
④极化电荷 Q 与自由电荷 Q0 的关系
Q
E
E0
r
0 0 r
1
0
( 0
)
0
(1
1
r
)
Q
Q0
(1
1
r
)
Q r 1 0 Q Q0
⑤极化电荷密度 与 E 的关系
Q 0 0E0
线性是指电介质的参数不随场量的数值发生 变化。
第二章 电介质理论基础
主要内容 ： 2.1 电介质的极化 2.2 交变电场下的介质极化与损耗 2.3 电介质的电导与击穿 2.4 电介质材料的非电性能
2.1 电介质的极化
主要内容 ：
2.1.1电介质的极化现象 2.1.2电介质的介电常数 2.1.3 极化强度和极化率 2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
点电荷
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
lorentz有效电场
Ee
r 2
3
E
r 1 n0 r 2 3 0
克劳修斯－莫索提公式，克-莫极化方程
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
P
0 (1
1
r
)
0 r
( r
1)
E0 r E (r 1)0E 0E
电介质的极化率
平行电容器
复习前三节
电介质极化
无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、CO2)
微观：电偶极矩 p分子＝0，(l=0) 宏观：中性不带电
±±±±± ±±±±±
±±±±±
有Байду номын сангаас分子：正负电荷中心不重合(H2O、Hcl)
电
介电材料
介
质 材 压电材料
电介质 功能材料
料
电介质材料
的
应
用
液晶
电介质 结构材料
2.0 电介质概述
电介质的分类： 按来源：天然介质和人造介质 按聚集状态：气态、液态和固态介质 按化学组成分：有机介质和无机介质 按电介质电性能分：极性介质和非极性介质
2.0 电介质概述
在外电场下，电介质会发生极化、电导、介质 损耗和击穿等物理过程。
P n0Ee
2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
•以充满均匀、各向同性电介质的平行电容器为例：
①放入电介质前
自由电荷 0
E0
0 0
②放入电介质 r 后
极化电荷 E P
0 0
0
v P
r E0
v E
0
③电介质中某一点场强
vv v E E0 E E
依电势与电容定义：
在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强
P
q'( ', ')
E E0 E'
描 绘 极 化
2.1.4 电介质极化的宏观参数和的关系
比较
P n0Ee
微观参数
P ( r -1) 0E 宏观参数
r
1
n0E e 0E
上式表示了电介质中与极化有关的宏观参数(、 r、E）与微观参数(、n0、Ee)之间地关系。
lorentz有效电场
Ee
r 2
3
E
r 1 n0 r 2 3 0
克劳修斯－莫索提公式，克-莫极化方程
电介质的极化
电介质
按正负电荷 和分布特性 可分为
无外电场作用时，由正 非极性电介质：负电荷中心重合，电偶
极矩为零的分子组成
单原子分子 (He,Ne,Ar等)
相同原子组成的 分子(H2,N2,Cl2等)