电介质及其介电特性 基本介电现象

量（C）与原真空电容器的电容量（C0）之比来计量。
r

C C0
r 0
r——相对介电常数，它与0的乘积，定义为介质的介电常数
由电工学可得：
r0D E 0E E P

r
1 P
0E
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电介质在电场作用下的主要特性
体电阻率（v）和相对介电常数（r）是表征
的一个最主要的共性问题。
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电介质在电场作用下的主要特性
涉及的科学与技术问题： ➢ 高储能介质的介电性能——极化、弛豫机理 ➢ 高耐电强度——高介电常数介质的击穿特性 ➢ 结构优化——提高电容器有效储能体积 ➢ 放电特性——快速、大容量、消除电感 ➢ 高可靠性——稳定性与寿命 ➢ 性能评价——测、试、分析技术
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电介质的功能特性
在具有非中心对称结构的固体电介质中，除了 上述的平方效应以外还观察到一种变形正比于电 场的线性效应，即：
X dE d——压电模数
➢ 当介质上电压极性改变，即E变号时，机械形变X的符号 亦将变号，电场可引起固体伸长或压缩。
➢ 这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下 能引起机械变形，而且在力场作用下亦能引起介质极化， 使介质表面带电——“压电效应（Piezoelectric effect）”。
EB
UB d
EB ——介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的
重要物理参数，它与温度、电场形式有关。
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电介质在电场作用下的主要特性
r，v，tan和EB 作为描述绝缘介质基本特
性的四大物理参数。
研究四大参数与电介质材料的组成、结构、 含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频 率、波形等）的影响。
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电介质的功能特性
2. 电介质的功能特性
电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外，在其电性 和力学性能、热学性能、光学性能之间还存在密切相关的 功能转换特性。
如：介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、 场致发光效应和电热效应等，反映了介质把电能转化为机 械能、光能、热能的功能效应。
表征：单位体积电介质中形成的总感应电矩——极化强度。
在线性介质中： P 0E
x——介质极化系数，0——真空介电常数，8.854×10-12F/m
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电介质在电场作用下的主要特性
在工程技术中，通常采用比电容率（或相对介电常数） 来作为介质极化的量度。
比电容率是以介质充入真空电容器后，此电容器的电容
电介质物理：是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科 学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现 象以及由此产生的各种效应。
主要特性：电介质在电场作用下最主要的电特性是极化和电 导，以及在此基础上产生的损耗与击穿现象。
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电介质在电场作用下的主要特性
特点：在直流电压作用下 有较稳定的电流通过。
CeW/kT
➢ 中压下为热激发电子电导； ➢ 高压下则为隧道电子电导，电流密度与电场呈指数式关 系：
jE Beb/E
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电介质的功能特性
应用：在工程上用作过电压保护元件——功能介质器件。 表征：残压比（K）是其重要的特性参数之一。其大小是通
过大电流（低阻）时的电压与通过小电流（高阻）时 的电压之比值。
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电介质的功能特性
2. 3 电-光效应
❖ 光本质上是一种极高频率电磁波，当光波穿过电介质 时，同样会有介质极化和能量损耗（介质吸收）的现象。
➢光频极化常用光折射率n来表征。光折射率n是光在真空 中的速度c与在介质中的速度之比（n=c/ ）。
根据麦克斯韦尔电磁波方程有：
nc rr
非铁磁性介质中r1, 故n2=r
➢ 光具有粒子性，一定频率的光子具有能量h，它与介质相
互作用将能引起介质中载流子密度和电导率的变化。
❖ 光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系。
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电介质的功能特性
❖ 光照引起电介质电导激烈增加的现象是最广泛的一 种光电效应——光电导效应（Photoconduction effect）。 这是由于光子进入介质引起介质中束缚电子的活化，产 生新的导电载流子，使介质的电导率增大。
研究成果广泛用于工程领域——成为“电介 质工程”。
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电介质在电场作用下的主要特性
高功率脉冲电容储能技术为例：
W21 K E2,...K ...V V t,1 i
➢ 电容器的电储能密度W与和E2呈正比 ➢ 提高储能密度可采用高ε和高E的电介质材料 ➢ 推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展 ➢ 而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料
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电介质的功能特性
2. 4 电压敏效应
具有晶界的复合材料，如ZnO、SiC陶瓷等，其电导电 流密度随电场强度呈非线性关系，在较高的电场强度下发 生电流跃增现象——电压敏效应 。
此类材料可做成各种电压限制器件。
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电介质的功能特性
ZnO电压敏陶瓷应用为例： ➢ 电流为电子性电导产生。 ➢ 低压下具有欧姆特性，随温度呈指数上升，导电机理 为电子热跃迁电导：
材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是 与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改 变；在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度 有关。
因此： r 为温度、电场频率、电场强度的函数； v 则为温度、电场强度的函数。
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电介质在电场作用下的主要特性
1. 3 介质损耗
在交变电压下，由于极化，使介质中 存在电容 电流和电导电流。
电介质的基本 介电现象
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主要内容：
电介质的基本介电现象
1. 电介质在电场作用下的主要特性
电导、极化、损耗、击穿
2. 电介质的功能特性
电—机械、电—热、电—光 电—压敏、PTC
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电介质在电场作用下的主要特性
1. 电介质在电场作用下的主要特性
电介质：在电场作用下能建立极化的一切物质。 存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。 电力线能透过的物质（法拉第1839年）。
当介质分子在电场作用下发 生弹性位移极化时，介质会在电 场的方向有一定的伸长。产生机 械变形X，与电场强度的平方成 正比：
X xE2
x——电致伸缩常数
➢ 所有电介质都存在的一种电-机械效应。 ➢ 与电场的指向无关，X、x均大于零，称为伸长效应。 ➢ 铁电体中此效应较明显，一般介质在弱电场中不明显。
的变化呈非倒数式关系，这是由于介质极化滞后所形 成的损耗而引起。
➢ 因此，研究介质损耗的重点就是研究介质 极化形成的动态过程中产生的损耗。
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电介质在电场作用下的主要特性
主要判据：
dI dU
dU 0 dI
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电介质在电场作用下的主要特性
在均匀电场下：如介质厚度d，介质击穿电压UB
U—电压（V）；E—电场强度（V/m)；j—电流密度， (A/m2)
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电介质在电场作用下的主要特性
电导特性是任何一种材料（无论导体、半导体、 还是电介质）都具有的电学性质，并非电介质所特 有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：
例如：一般导体γ=109（S/m ）
绝缘性能良好的电介质γ=10-18（S/m ）
表征：用电阻率ρv或电导 率γ来表征材料的电导特
性。
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RU I
G I U


E j
I v
4
电介质在电场作用下的主要特性
UEL I jS
由此可得：
R

v
(
L) S
R—电阻，单位为欧姆（）； G—电导，（S）
ρv—体电阻率，（·m）； γ—体电导率，（S/m）
K U 10 kA U 1mA
U10 kA ——试样通过10 kA电流时的电压 U1 mA ——试样通过1 mA电流时的电压
元件残压比愈小，电压限幅作用愈强。
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电介质的功能特性
2. 5 电介质电阻正温度系数（PTC）效应
❖ 通常电介质的绝缘电阻 大都随温度的上升而作指 数式的下降，仍保持高阻 绝缘状态。
➢ 在中心对称结构的电介质中，不管怎样的机械应力或 变形都不能引起极化。
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电介质的功能特性
2. 2 电-热效应
介质在电场作用下由于电导电流和极化吸收电
流会引起发热，其发热量一般与E 2成正比：
Q E2
此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗， 特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。
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电介质的功能特性
在一些热释电晶体中，不仅有平方关系的电热效 应，还同时存在线性的热电效应：
Q E ——电热常数
➢ 此为可逆效应。即在此种晶体加热时往往有电 荷释放出，故称为热释电效应。
➢ 温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律 往往成为探索介质物理机理的主要实验依据。
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电介质的功能特性
➢ 机械应力和光同时作用在固体介质中，所观 察到光折射率的改变，称为压光效应。
➢ 由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变， 上述电光效应的本质与此相似，电场引起介质极 化，同时产生机械变形，导致光折射率的变化。