空间电荷极化
《高电压技术》 —— 电介质的极化
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象称为电介质的极化。
或者表示为，无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，电介质整体上对外没有极性，在外电场作用下，电介质对外呈现极性的过程。
电介质极化的基本类型包括：电子位移极化（电子式）、离子位移极化（离子式）、转向极化（偶极子式）、空间电荷极化（夹层式）四种类型。
1.电子位移极化（电子式）在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道变形而出现感应电矩。
2.离子位移极化（离子式）在由离子键结合成的介质内，在外电场的作用下，除了各离子内部产生电子式极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化称为离子式极化。
当没有外电场时，各正负离子对构成的偶极距彼此相消，合成电距为零；加上外电场后，所有的正负离子对构成的偶极距不再完全相消，形成一定的合成电距。
完成离子式极化所需时间约为10-13～10-12 s，有极微量的能量损耗，与电源频率几乎无关，温度升高时，电介质体积膨胀使离子间的距离增大，离子间相互作用的弹性力减弱，故离子极化率随温度的升高而略有增大。
3.转向极化（偶极子式）在外电场的作用下，极性分子的偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，而显出极性。
偶极子式极化的建立需要较长时间，约为10-10～10-2 s，甚至更长。
有能量损耗，与电源频率和周围温度有关。
当电场交变频率提高时，极化可能跟不上电场的变化，从而使极化率减小。
4.空间电荷极化（夹层式）夹层式极化是最常见的一种空间电荷极化形式。
由多种介质组成的绝缘结构，在加上外电场后带电质点在介质分界面上堆积，造成电荷在介质空间新的分布，产生电矩。
如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。
夹层式极化过程是缓慢的，它的完成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时甚至更长。
因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
高频时，离子来不及移动，就很少有这种极化现象，故只有在低频时才有意义。
高电压复习总结
第一章1一般的，电介质极化分为以下四种基本类型：电子位移极化、离子位移极化、空间电荷极化、转向极化2. 极化的概念：在外电场作用下，电介质的表面出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。
3. 极化的形式：电子位移极化：由于电子发生相对位移而发生的极化。
时间短，弹性极化，无能量损耗离子位移极化：时间短，弹性极化，无能量损耗转向极化：时间较长，非弹性极化，有能量损耗。
空间电荷极化特点：时间很长，非弹性极化，有能量损耗。
第二章1.气体中带电质点的产生方式有：电子或正离子与气体分子的撞击电离、各种光辐射光电离和，高温下气体中的热能热电离和表面电离。
2．气体中带电质点的消失： 1 场力的作用流入电极并中和电量。
2 带电质点的扩散。
3 带电质点的复合1、自持放电：当外施电压达到某一临界值U0后，不依靠外界电离因素，依靠外施电压就能维持气体放电，称为自持放电2、汤逊理论：汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因。
二次电子主要来源于正离子碰撞阴极，而阴极逸出电子。
二次电子的出现是气体自持放电的必要条件。
二次电子能否接替起始电子的作用是气体放电的判据。
汤逊理论主要用于解释短气隙、低气压的气体放电。
3、流注理论：流注理论认为气体放电的必要条件是电子崩达到某一程度后，电子崩产生的空间电荷使原有电场发生畸变，大大加强崩头和崩尾处的电场。
另一方面气隙间正负电荷密度大，复合作用频繁，复合后的光子在如此强的电场中很容易形成产生新的光电离的辐射源，二次电子主要来源于光电离4、请问汤逊理论的实质是什么，汤逊理论与流注理论在解释气体放电方面有什么区别？1）汤逊理论认为电子碰撞电离是气体放电的主要原因。
二次电子主要来源于正离子碰撞阴极，而阴极逸出电子。
二次电子的出现是气体自持放电的必要条件。
二次电子能否接替起始电子的作用是气体放电的判据。
流注理论认为气体放电的必要条件是电子崩达到某一程度后，电子崩产生的空间电荷使原有电场发生畸变，大大加强崩头和崩尾处的电场。
湖南工业大学电子材料复习题及答案
第一:1、名词解释：电化学效应（法拉弟效应）、肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷、漏导电流、载流子、霍尔效应、压碱效应。
电化学效应（法拉弟效应）：电子材料是离子电导，它要发生明显的质量变化，在电极附近有新物质产生。
肖特基缺陷：晶体内部只有空位的缺陷。
弗仑克尔缺陷：离子脱离结点后形成填隙离子和空位。
漏导电流：在电场的作用下，绝缘材料中的联系弱的带电质点沿电场方向作有规则的运动，形成微小的电流。
载流子：电子陶瓷中存在少量能传递电荷的质点叫载流子。
霍耳效应：当电子陶瓷上施加外电场产生电流I，如果在垂直于电流的方向加上一磁场H，则在垂立于电流和磁场的I—H平面的方向将产生一个外加电场M。
压碱效应：当电子陶瓷中加入碱土金属氧化物时，可显著提高电阻率。
2、分析三电极系统的工作原理。
工作原理：三电极由工作电极，参比电极，辅助电极（或对电极）组成。
三电极体系含两个回路，一个回路由工作电极和参比电极组成，用来测试工作电极的电化学反应过程，另一个回路由工作电极和辅助电极组成，起传输电子形成回路的作用。
3、随外界条件的变化，电子陶瓷的载流子有何变化？电子陶瓷中载流子的性质会随着外界条件的变化而发生相应变化。
a、当外加电场弱的时候是离子电导，随着外加电场增强，电子电导比例越来越大，在临近击穿时，明显地呈现电子电导的特征。
b、温度不同，载流子的性质也可能不同，低温时为离子电导，随着温度升高，逐渐转化为电子电导。
4、用晶格震动理论解释离子晶体导电的原因。
对离子晶体，一般温度下，离子在外电场中不发生移动，仍然不能导电。
在受热情况下，晶格上的离子在其固定位置附近作热振动。
其中有少数离子因达到较高的能量，从结点上脱落，离开结点而进入晶格间隙位置。
形成填隙离子，原来的位置形成空位。
温度愈高，离子脱离结点的几率愈大，填隙离子和空位的数目愈多，产生结构缺陷——热缺陷，在外电场作用下，离子晶体才会导电。
第二：1、名词解释：界面极化，介质吸收界面极化：由于界面对离子迁移产生阻碍作用，而产生的极化。
介电虚部为负 -回复
介电虚部为负-回复摘要：一、介电虚部的概念1.介电常数2.介电虚部二、介电虚部为负的原因1.电子极化2.离子极化3.空间电荷极化三、介电虚部为负的影响1.电介质的应用2.电子工业的发展四、我国在介电虚部研究方面的进展1.理论研究2.实验研究3.应用研究正文：介电虚部是介电常数的一部分，它反映了电介质在电场作用下的极化程度。
介电常数是一个无量纲的物理量，它由实部和虚部组成。
实部表示电介质在电场作用下的膨胀程度，而虚部则表示电介质在电场作用下的极化程度。
当介电虚部为负时，说明电介质在电场作用下会产生极化，从而影响电场分布和电器件的性能。
介电虚部为负的原因主要有三个方面：电子极化、离子极化和空间电荷极化。
电子极化是指电场作用下电子云的极化，这种极化主要是由于电子的热运动引起的。
离子极化是指电场作用下正负离子的极化，这种极化主要是由于离子的热运动和电场引起的。
空间电荷极化是指电场作用下空间电荷的极化，这种极化主要是由于电场引起的。
介电虚部为负对电介质的应用产生了深远的影响。
首先，介电虚部为负使得电介质具有了存储电能的能力，从而可以应用于电容器、电感器等电器件。
其次，介电虚部为负使得电介质具有了屏蔽电场的能力，从而可以应用于电磁屏蔽材料。
此外，介电虚部为负还可以提高电介质的耐电压能力，从而提高电器件的可靠性和稳定性。
我国在介电虚部研究方面取得了显著的进展。
理论研究方面，我国学者提出了许多新的理论和模型，如线性介电模型、非线性介电模型等。
实验研究方面，我国学者开发了许多新的实验技术，如介电谱技术、激光散射技术等，这些技术可以用于测量介电虚部的大小和方向。
应用研究方面，我国学者将介电虚部应用于许多实际领域，如电子工业、航空航天等，取得了显著的成果。
总之，介电虚部为负是一个重要的物理现象，它对电介质的应用产生了深远的影响。
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。
1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。
2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。
离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。
离子极化能对金属化合物性质产生影响。
3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。
4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
极化电荷 -回复
极化电荷 -回复
极化电荷是指在外界电场的作用下，分子或物质内部的正负电荷在空间分布上发生偏移，从而形成极化现象。
例如，当外界电场作用于非极性分子时，电场会使分子中的正负电荷在空间上移动，导致分子整体呈现出一个局部的正负极性。
这种由外界电场引起的电荷移动现象就是极化电荷。
极化电荷的产生与外界电场的作用有关，当外界电场作用于物质时，正负电荷之间的相互作用力受到扰动，在这个扰动作用下，电子云的分布产生偏移，从而形成极化电荷。
极化电荷在物理、化学、材料科学等领域中都具有重要意义。
例如，极化电荷是描述介质性质的重要参数之一，可以用来解释介质对电场的响应以及介质中的电磁波传播等现象。
此外，极化电荷还与材料的电导率、电介质常数、极化率等物理性质相关，进而影响材料的导电性、绝缘性、光学性能等方面的特性。
总之，极化电荷是指物质中正负电荷在外界电场作用下发生的偏移现象，是很多物理、化学现象及材料性质的基础。
材料物理性能学知识点
根据隧道的特点，可将快离子导体划分为：（1）一维导体，其中隧道为一维方向的通 道，如四方钨青铜；（2）二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如Na-β-Al2O3快离 子导体；（3）三维导体，其中隧道为二维网络交联的通道，如Nisicon(Sodium superionic conductor, NaZr2P3O12)等。
24、电子在晶体中运动受到两种力的作用：（1）晶格振动以及由于晶体不完整(杂质)形， 引起对电子的散射；（2）在电场的作用下，电子沿电场方向作漂移运动。
25、半导体中载流子的散射受两种因素影响；（1）晶格热振动散射；（2）离子化的杂质 散射。
高温、低杂质浓度时，晶格散射起主导作用。高杂质密度时，杂质散射起主要作用。
14、离子电导是在电场作用下离子的扩散现象，离子扩散机构主要有：①空位扩散；② 间隙扩散；③亚晶格间隙扩散。一般间隙扩散比空位扩散需更大的能量。间隙-亚晶格扩散 相对来讲晶格变形小，比较容易产生。
15、随着温度的升高，离子电导按指数规律增加。低温下杂质电导占主要地位。这是由 于杂质活化能比基本点阵离子的活化能小许多的缘故。高温下，固有电导起主要作用。
9、形成固溶体时，合金导电性能降低。在连续固溶体中合金成份距组元越远，电阻率 越高。
10、除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入1%原子溶质金属所引起的电阻率增加，由溶 剂和溶质的价数决定，价数越大电阻率增加越大。
空间电荷极化
空间电荷极化
空间电荷极化是一种物理现象，其运用电学理论和场论来研究物质和电学互作用的内容。
它也被称为表面或片上电荷极化，是指在几何表面或胶片上形成的电荷分布和空间极化分布的物理现象。
空间电荷极化的不同特征模式对于无电荷或电荷均匀分布的空间支撑一定的特征形式，甚至还能够解决较为复杂的空间分布问题。
空间电荷极化的早期发现是源于物理学家 undate 发现
的静电极性效应，这种现象在微米技术中得到大范围利用，如微电子器件处理表面极化等，同时也是在宽频带电磁元件仿真设计中必不可少的现象。
此外，空间电荷极化还被广泛应用于微电子器件的设计和制造中。
因为它的准确性，它的结果在控制电子器件的外部力学表现时有着极大的作用，例如电磁屏蔽效果、弹性变形效应、湿润效应等，这也反过来给封装过程带来了一定的不确定性，因此空间电荷极化对封装电子产品有着不可替代的作用。
另外，空间电荷极化还在电子元件和通信技术中被广泛使用，它可以判断并发射电磁波，调节平衡，调节静电场强度，以及有效调控磁荷变化率等。
事实上，空间电荷极化在一定程度上促进了电子元件及其他相关技术的发展，对装置的安装、调整、测试等均表现出显著的
效果。
总之，空间电荷极化的发现为物理学家带来了惊喜，它的发现有着极大的内在价值，它让我们能够更加精准地探究物质和电学互作用，为我们提供了良好的研究工具，促进了电子技术的发展，有着重要的实际应用价值。
界面极化
• Brief Introduction to Interfacial Polarization
Charge accumulation at interface I2 I1 I 2 I1 I1 I 2 I2 I1 I1 I 2 极低频下 R1 C1 R1 V V Q C V V 1 1 1 R R 1 R1 R2 1 2 R C2 R2 2 V V Q C V V R1 C1 2 2 2 2 R1 R2 R1 R2 I”1 V1 C R C1 R1 界面处积累的电荷量 Qinterface Q2 Q1 2 2 V R1 R2 V 当 R1 R2 C1 C2 时 Qinterface 0
• Brief Introduction to Interfacial Polarization
What is interfacial polarization? 界面极化是由于介质中两相电学性质（介电常数和电导率）不同，导致在
外加电场作用时两相分界面上出现自由电荷的积累，从而对整体极化响应
做出贡献的极化机制。 界面极化属于空间电荷极化。与电子、离子、偶极子极化相比，界面极化 是一种相对宏观的极化形式（~ μm），弛豫时间较长（~ s）。 What is indeed the interface in ceramics? 电极与陶瓷块体界面？ 晶粒与晶粒之间的晶界？ 晶粒与晶界之间的界面？
Yes No Yes
• Brief Introduction to Interfacial Polarization
Maxwell-Wagner model
Y1
Grain
1 jC1 R1
高电压技术电介质极化与介电常数
=
﹒ ﹒ ﹒ ﹒ Cl H﹒ ﹒ ﹒ ﹒
一、电介质的极化及 介电常数
极化现象
平板真空电容器电容量：
Q0 0 A C0 U d
插入固体电解质后电容量：
Q0 Q ' A C U d 相对介电常数： Q0 Q' C r 0 C0 Q0
相对介电常数是反映电介 质极化程度的物理量
部分气体的相对介电常数 环境条件 20℃, 1 atm
气体种类 氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气 相对介电常数 1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
液体电介质的介电常数
非极性和弱极性电介质：属于这类的液体电介质有很多， 如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数 都不大，其值在 1.8～2.8范围内。介电常数和温度的关 系和单位体积中的分子数与温度的关系相似 偶极性电介质：这类介质的相对介电常数较大，其值在 3 ～ 80 范围，能用作绝缘介质的ε r 值在 3 ～ 6 左右。此类 液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增 大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体介质有 实际应用
极化机理：
当物质原子里的电子轨 道受到外电场 E 的作用时，其 负电荷作用中心相对于原子核产 生位移，形成电矩，称电子的位 移极化。
二、离子的位移极化
极化机理：
在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极 性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化
特点：
1、有弹性，可恢复
2、极化完成时间约为 l0-12-10-13s，当交变电场的频率 低于红外线光频率，离子的位移极化与频率无关 3、极化程度与电场强度成正比 4、温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素； 即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增 加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程 度降低。通常前一种因素影响较大 5、有极微量的能量损耗
空间电荷极化和夹层极化
空间电荷极化和夹层极化好啦，今天咱们来聊聊“空间电荷极化”和“夹层极化”。
说实话，这两个名词听上去好像很高大上，其实也没那么复杂。
你想象一下，一个人走在街上，身边的人都在忙着自己的事情，偶尔有几个朋友围绕着你，气氛就活跃起来了。
这就是空间电荷极化的感觉。
没错，空间电荷极化就是当一些电荷在空间里分布不均时，产生的电场效应，简单来说，就是电荷们在某个地方聚在一起，形成了一种“电场团伙”。
这些电荷就像是小伙伴们在一起打闹，有时候他们聚集得太近了，导致了一个小小的“电场骚动”。
想象一下，几个朋友在一起玩耍，他们的活动区域就像一个电场，随意碰撞、互动。
这种电场的存在，能让周围的环境发生变化，比如吸引其它的电荷或者影响一些材料的特性。
就像你身边的朋友，他们的情绪和活动会影响你的心情和表现，尤其是在聚会的时候，气氛瞬间变得热闹，大家都开始嗨起来。
空间电荷极化也是如此，它不仅影响了电荷之间的相互作用，还能够影响物质的导电性、介电常数等等。
再说说夹层极化。
想象一下，你在沙滩上玩耍，海浪轻轻拍打着岸边，沙子在脚下滑动。
这时候如果有两层不同的物质，比如水和沙子，夹层极化就像是这两层物质之间的相互影响。
它们并不是直接接触，而是通过某种方式，相互作用、相互影响。
就像两个人隔着一扇窗户交流，虽然看不见，但依然能感受到彼此的存在。
夹层极化就像是电荷在不同材料中流动，产生了层层叠叠的极化效果。
其实夹层极化还挺有趣的。
在很多材料中，我们可以看到这种现象，比如在电容器里，正负电荷在不同的介质中分布，这样一来，就形成了一个美妙的电场。
想象一下，正负电荷就像是一对情侣，虽然在不同的地方，但彼此心心相印，互相吸引，保持着一种微妙的平衡。
夹层极化就是这种情侣关系的真实写照，虽然隔着层层材料，却依然保持着那份默契。
在实际应用中，空间电荷极化和夹层极化有着广泛的应用。
比如在电子产品中，电容器、传感器等，都需要这些极化效应来发挥作用。
想象一下，如果没有这些电场的作用，电子产品可能就像一盘散沙，毫无章法，根本无法正常工作。
电介质极化的主要类型
电介质极化的主要类型《电介质极化的主要类型》嘿，今天咱们来聊聊电介质极化的主要类型。
这电介质极化啊，就像是一群性格各异的小伙伴在电场这个大舞台上的表演。
首先呢，是电子位移极化。
这就好比一群调皮的小电子住在电介质里，平时它们在自己的小地盘上晃悠。
一旦有电场这个“严厉的老师”出现，这些小电子就像被点名一样，乖乖地偏离自己原来的位置。
你知道吗？我有一次观察那个简单的电路实验，有个小电容，里面的电介质材料就发生着电子位移极化呢。
我盯着那电路看，就想象着那些电子在电场作用下，虽然移动的距离很小很小，就像小蚂蚁挪了一小步，但整个电介质的性质就开始发生变化了。
这个小电容在电路里就像个听话的小助手，因为电子位移极化，它能够储存电荷啦。
这电子位移极化可是很快的，电场一出现，小电子们马上就有反应，电场一消失，它们又想回到原来的位置，速度可快了，就像调皮的孩子听到下课铃，马上就想跑回自己的座位一样。
然后呢，还有离子位移极化。
想象一下电介质里住着好多离子家庭。
在没有电场的时候，这些离子家庭也是安居乐业的。
可是电场一来，就像一阵大风把这些离子家庭吹得偏离了原来的住址。
我在化学实验课上看到过类似的情况，有个含有离子晶体的溶液，当我们给它加上一定的电场，那些离子就开始慢慢地移动了。
不过离子可比电子重多了，它们移动起来就像老爷爷老奶奶走路一样，慢悠悠的。
所以离子位移极化可比电子位移极化慢一些。
但是它们的移动也改变了电介质的电学性质。
那些离子就像一个个小砖块，它们位置变了，整个电介质这堵“墙”的结构在电学意义上就不一样了。
再来说说转向极化。
这就像是一群有着不同方向的小磁针在电介质里。
没有电场的时候，它们就乱乱地指各个方向。
当电场这个“磁场巨人”出现的时候，这些小磁针就开始转向，都朝着电场的方向。
我记得有一次玩那种小磁针的玩具，虽然和电介质极化不完全一样，但感觉有点相似。
我拿着一块磁铁靠近那些小磁针，小磁针们就纷纷转动起来，最后都指向磁铁的方向。
极化的基本形式
河南理工高电压技术期末 名词解释 简答 计算 总计
河南理工大学高电压技术期末考试总结名词解释1电介质：在电场中能产生极化的物质通常条件下导电性能极差、在电力系统用作绝缘的材料。
2电介质的极化种类：电子位移极化当外加一电场，电场力将使荷正电的原子核像电场方向位移，荷负电的电子云中心向电场反方向位移，但原子核对电子云的引力达到平衡时，感应电距也达到稳定。
离子位移极化在有离子结合成的介质中，外电厂的作用除了促使各个离子内部产生电子位移极化外，还产生正负离子相对位移而形成的极化。
转向极化（偶极子极化）:出现外电场后偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，因而显出极性，这种极化称为偶极子极化或转向极化。
空间电荷极化(夹层极化)：空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
3电介质损耗：任何电介质在电场作用下都有能量损耗，包括由电导引起的损耗和某些极化过程引起的损耗。
电介质的能量损耗简称介质损耗。
4碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被撞粒子能量，使其电离。
5光电离:在光照射下，将光子能量传给粒子，游离出自由电子。
由光电离而产生的自由电子称为光电子必要条件：光子的能量大于气体粒子的电离能。
6热电离:是热状态下碰撞电离和光电离的综合.7电极表面电离：气体中的电子也可从金属电极表面游离出来。
8电子崩：外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。
依此，电子将按照几何级数不断增多，类似雪崩似地发展，这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩。
结论：由于碰撞电离引起电子崩过程，导致气隙中电子数迅速增加。
9自持放电：撤除外界电离因素后，能仅由电场的作用而维持的放电.10非自持放电：必须依靠外界电离因素的作用提供自由电子作为电子崩的初始电子，一旦外界电离因素停止发生作用，则放电中止.11极化效应：将电介质放入电场，表面出现电荷。
空间电荷极化
－
O
d
r
+
空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF： dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o
各种极化形式的比较有随温度升高而减小直流高频结构不均匀的材料空间电荷极化有随温度变化有极大值直流超高频有机转向极化有随温度变化有极大值直流超高频高价金属氧化物电子位移松弛极化有随温度变化有极大值直流超高频离子不紧密的材料离子松弛极化很弱温度升高极化增强直流红外离子结构离子位移极化无无关直流光频一切陶瓷电子位移极化能量消耗与温度的关系极化的频率范围极化的电介质种类极化形式空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或
离子位移极化
离子位移极化模型
感生的电偶极矩为： =q(δ+－ δ -) = iEloc
正离子受到的弹性恢复力：-k(δ+ － δ -) 负离子受到的弹性恢复力： -k(δ- － δ +) 运动方程： M+a= - k（δ+ － δ -)+qEoe it M-a=- k(δ- － δ +) +qEoe it 得： M*=M+M-/(M++M-) 弹性振子的固有频率 ： o=(k/M*)1/2 离子位移极化率： e =[1/(o2－ 2)]q2/M* 0 静态极化率： i =q2/M* o2= q2 k
高二物理竞赛课件空间电荷极化
在某一时刻，A位置上的离子数减少N，则B位置上增加 了N 。单位时间、单位体积内的变化应等于正向跃迁的 离子数减去反向跃迁的离子数，即，
dN N N eUU/ kBT N N eUU/ kBT
dt 6
6
N eU / kBT eU / kBT eU / kBT 6
NeU / kBT eU / kBT eU / kBT
空间电荷极化
空间电荷极化
空间电荷极化是不均匀电介质，也就是复合电介质在电场 作用下的一种主要的极化形式。极化的起因是电介质中的 自由电荷载流子（正、负离子或电子）可以在缺陷和不同 介质的界面上积聚，形成空间电荷局部积累，使电介质中 的电荷分布不均匀，产生宏观电矩。这种极化称为空间电 荷极化或夹层、界面极化。
5
若令， 则，
eU / kBT
eU / kBT eU / kBT
dN dt
N 6
eU / kBT eU / kBT
eU / kBT eU / kBT
N
1
6
解上述微分方程，且注意到初始条件，t=0时，N=0， 可以得到单位时间、单位体积内沿电场方向由A位置向B 位置过剩跃迁的离子数为，
N
N 6
eU / kBT eU / kBT
eU / kBT eU / kBT
N 1 et /
7
离子的过剩跃迁破坏了晶体内部电荷的混乱分布，每一过 剩跃迁的离子相当于在电场方向上形成一个偶极子，所以， 单位体积中的电矩为，
PT Nq
Nq eU / kBT eU / kBT
6 e e U / kBT
由上式可以看出，弛豫极化的建立需要一定的时间。电场 刚加上，t=0时，N、PT均为零。
10
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－
+
－
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－
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3 周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。 对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。 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。
－
O
d
r
+
空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF： dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o
无机材料物理性能
第十二讲
2018年8月20日
第七章
电学性能： 电导性能 介电性能
概述
电介质：
在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电 阻率大于1010· cm的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。
陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、
电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如： 具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的 电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用 前景。
真空
E
+ +
+
+
自由电荷
+ － 偶极子
束缚电荷
电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 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并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
2、介电常数
以平板电容器为例。
真空中，电容器电容C0为：
0：真空介电常数8.8510-12F.m-1
加入电介质后，电容为：
：介质的介电常数
故有：
r：相对介电常数
3、极化率
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。 ( 法. 米2)
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电荷 间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的 方向与外电场的方向一致。
介质的极化
极化现象
具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－ － － － － － － + － + － + － + + + － － － + － + － + － + + + － + － + － + + －
• P与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
宏观电场E
一、是外加电场； 二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和
原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
二、克劳修斯-莫索蒂方程
外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。 1 . 宏观电场： 即极板上的所有电荷所产生）
构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外 的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹 场） E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。 E1的计算：
对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场： 由 P= Q1 /A= oE1
得： E1 = P / o
洛伦兹场E2的计算：
rsin P
6.1 介质的极化
一、极化现象及其物理量
1、极化 定义一（宏观）：在外电场作用下，介质表面 产生束缚电荷（极化电荷）的现象称为电介质 的极化。
定义二（微观）：在外电场作用下，介质内 质点(原子、分子、离子)正负电荷重心分离， 从而转变成偶极子的现象。
偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电 荷(+q、-q)所组成的系统。为正负偶极总称。其极性大 小和方向常用偶极矩来表示
电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介
电强度。
目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率
范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。
电介质主要包括： 1）绝缘体：绝缘，建立电场，防腐蚀， 防辐射； 2）许多半导体：高纯硅和锗，掺杂半导 体（有损耗）； 3）高频下的金属薄膜：高损耗。
α：反映材料的极化能力，与材料性质有关。
4、极化强度
极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为 极化强度，用P表示。或束缚电荷的面密度。 (库.米-2) 单位与电荷面密度单位相同。 对平板电容器内的均匀介质，其极化强度等 于极化产生的束缚电荷面密度。
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
+ + + + + + + + －－－
E1
E3
+++
E2
E外
－－－假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球 外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介 质小得多。
介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分： 球外介质的作用E1 ＋E2和球内介质的作用E3
对陶瓷而言，电介质陶瓷可包括： 1）电绝缘瓷（装置瓷）：主要起固定、 支撑、绝缘、保护等作用。 2）电容器瓷：广泛应用于家电、通信、 工业仪表等领域；如电子电路中的电容 元件、谐振器等。 3）压电陶瓷、铁电陶瓷、热释电陶瓷等： 在电声、电光等技术领域有着广泛的应 用前景。
评价电介质的主要电学性能指标
1）介电常数 2）介电强度 3）损耗因数 4）体电阻率与表面电阻率
无机材料与有机塑料比较：
有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下， 塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可 缺少的部分。