电介质物理与材料

1）按材料类 可将电介质分为：无机电介质和有机电介质两大类。 无机电介质：云母、玻璃、陶瓷等一类的无机材料。 有机电介质：矿物油、纸、高分子聚合物等有机材料。
2）按照物质的聚集态
可将电介质分为：
气体介质(如空气)
液体介质(如电容器油)
固体介质
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3）按组成物质原子排列的有序化程度分类 晶体电介质 ：石英晶体、陶瓷晶体等 非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等 前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。
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1.2 电介质物理研究特点
电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。
1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化， 电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制， 其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。
2）电介质物理也研究绝缘材料的电导或漏导、电击穿过程， 指导电绝缘材料设计（强电技术）。
不同电介质电极化机制不同，但他们响应电场的作用是共同 的——电极化方式。
因此，研究电介质在电场作用下发生极化的物理过程并导出
相应的极化规律，是电介质物理的一个重要课题。
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综上所述，电介质体内没有自由电荷，有良好的绝缘性能。 在工程应用上，通常需要将电路中具有不同电位的导体彼此 隔开，要使用电介质材料，利用的就是电介质的绝缘特性， 从这个意义上讲，电介质又可称为绝缘材料 ( Insulating material ) 或绝缘体 ( Insulator)。 工程上应用的电介质与理想的电介质不同，主要区别是：
4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
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极性介质： 由正、负电荷中心不重合的极性分子组成。 如电容器纸的主要成分—纤维素及聚氯乙烯薄膜等。
实际电介质在电场作用下存在漏电流和电能的耗散，甚至在 强电场下，实际电介质还可能被破坏。
因此，除了要研究电极化外，还要研究电介质的电导、损耗、 击穿等特性。这些就是电介质物理需要研究的主要问题。
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2. 电介质的分类
电介质种类繁多，组成物质结构亦千差万别。 可以从不同角度对电介质进行分类。
将电介质的能带结构和半 导体、导体的能带结构相 比较，可以看出，他们有 明显的区别。
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2）电响应特征
电介质对电场的响应特性不同于金属导体。 金属的特点是电子共有化，体内有自由载流子，这就决定了 金属具有良好的导电性。它们以传导方式传递电作用。
电介质中，一股只存在束缚电荷。在电场的作用下，电荷不 能以传导方式而只能以感应的方式作用，即以其中正、负电 荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来 传递和记录电场的影响。
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需要明确的两个概念
电介质
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
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5）其他 按照介质成分均匀度进行分类： 均匀电介质 ( 如聚苯乙烯 ) 非均匀电介质 ( 如电容器纸—聚苯乙烯薄膜复合介质 )。 还有别的分类： 块状介质 膜状介质。
分类研究电介质，有利于将其性能研究统一在物质共同 属性基础之上，便于总结出介电性能与材料组成、结构 之间相互关联的规律。
具有上述极化能力的物质就是电介质。 1）静电场中，电介质内部能够存在电场； 2）电介质内部束缚电荷 这种物理现象和过程与金属有明显的区别：
在静电平衡态，金属导体内部，不存在自由电荷，其内部电 场是等于零的。或者说，金属导体内不存在束缚电荷。
这一事实，已在静电学中应用高斯定理得到了证明。
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电介质物理与电介质材料
第一章 电介质概念、分类、研究内容 1.电介质基本概念 2.电介质材料的分类 3.电介质材料的研究对象和频域范围 4.电介质材料的研究内容 5.电介质的性质
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1．基本概念
1.1 电介质 ( dielectric ) 一切绝缘体统称为电介质。电介质的基本属性： 在外电场作用下，电介质内部原子分子发生位移运动，称之 极化，这种极化能在电介质内部长期存在，相应地，极化可 以形成电场,并且这种电场反过来可以影响外电场。
3）金属也具有类介电效果，但意义完全不同。
金属的类介电性来源于电子气运动中感生出虚空穴（正电荷）， 引起动态屏蔽效应。
但是，金属内不涉及束缚电荷，不能把金属的介电性列入电介
质物理研究的范畴。
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1.3 电介质的电子结构特征与电响应特征 1）电子结构特征
用固体能带理论，可将电介质定义为这样一种物质： 电介质能级图中，基态被占满，基态与第一激发态之间被很宽的 禁带隔开，电子激发到导带必须足够的能量，这个能量大到可使 电介质遭到破坏，见示意图。
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3. 电介质材料的研究对象和频域范围
（1）材料对象及特点 固态电介质，包括晶态电介质和非晶态电介质两大类。 例如，玻璃、陶瓷、树脂、高分子聚合物等，这些材料是 良好的绝缘材料。在电场作用下，这类固态电介质产生不 等于零的电偶极矩，形成束缚电荷，这种现象就是电极化。 这些能产生电极化的材料也就是电介质材料。例如：
绝缘材料： 电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。 宽禁带半导体： 电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化， 也归入到电介质材料体系。例如，III-V 族和 II-VI 族半导体， 20共21/3价/10键-离子键混合结构，表讲解现：X出X 电极化和弛豫特征。 12
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。