空间电荷极化

• 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


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：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
－
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
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。
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
－ － － － － － － E1 + + + + + + + 外加电场E外 + + +
－
+
－
－
－
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。
+ + + + + + + + －－－
E1
E3
+++
E2
E外
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
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
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

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
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
－ － － － － － － + － + － + － + + + － － － + － + － + － + + + － + － + － + + －
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。