电介质及其介电特性-基本介电现象
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电介质理论及其应用
20
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 E
2
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。
电介质理论及其应用
21
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。
电介质理论及其应用
22
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：
电介质理论及其应用
18
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）”。
电介质理论及其应用
10
电介质在电场作用下的主要特性
定义：
IR I RU Pr tan 2 I C CU Pc
Pr电容介质损耗有功功率， Pc电容无功功率。
只有电导电流损耗时，tan与成倒数关系。
极性介质的tan与是有峰值的曲线关系，极性介 质的tan值比非极性介质的tan值大；而且tan随 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。
U 10 kA K U 1mA
U10 U1
kA
——试样通过10 kA电流时的电压 ——试样通过1 mA电流时的电压
电介质理论及其应用
19
电介质的功能特性
压电效应可以把力学信息转化为电信息，存在于非 对称结构的固体介质中，故有：
X dE xE
2
线性效应一般要比平方效应显著 非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应， 形成极化，其极化强度与应变成正比：
P eX
e——压电常数
电-机械平方效应则无逆向的机械-电效应。 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。
P 0 E
x——介质极化系数，0——真空介电常数，8.854×10-12F/m
电介质理论及其应用
7
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 量（C）与原真空电容器的电容量（C0）之比来计量。
3
电介质在电场作用下的主要特性
1. 1 介质电导
定义：电介质电导是电介 质 中 存 在 的 少 量 载 流 子， 贯 穿 整 个 介 质 而 构 成“ 漏 泄电流”的物理现象。 特点：在直流电压作用下 有较稳定的电流通过。
表征：用电阻率ρ v或电导 率γ 来表征材料的电导特 性。
电介质理论及其应用
n
c
r r
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。
电介质理论及其应用
23
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。 对于禁带宽度不宽的电介质和半导体，当光子能量 h >Eg （禁带宽度）时,能引起光电动势——光伏打效 应（Photovoltaic effect）。 此时光能转化为电能，但这种转化效率在半导体中 较强，如在硅和砷化镓中。现在，硅材料已成为一种应 用最广泛的太阳能电池材料。
U R I I G U
E j
I
v
4
电介质在电场作用下的主要特性
在电介质截面积为S、厚度为L的平板型材料 的情况下，则有：
U EL
由此可得：
I jS
Hale Waihona Puke L R v ( ) SG—电导，（S）
R—电阻，单位为欧姆（）；
ρ v—体电阻率，（· m）；
γ —体电导率，（S/m）
某些电介质在强光照射下，亦能观察到介电系数的 变化。其本质是光引起晶体中产生了激发态的激子，而 导致有附加的介质极化电矩，从而改变了r值。
电介质理论及其应用
24
电介质的功能特性
在强电场下介质中最重要的电光效应是光折射 率随电场强度的变化：
n E
2
或
n E
此效应可以是非线性的或线性的。
C r C0
由电工学可得：
r 0
P r 1 0E
8
r——相对介电常数，它与0的乘积，定义为介质的介电常数
D 0E P r 0 E E
电介质理论及其应用
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 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
电介质理论及其应用
17
电介质的功能特性
2. 1 电-机械特性
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 xE
2
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。
平方式效应称为克尔效应（Kerr effect），在任
何电介质中都能观察到。
线性电光效应称为普克尔效应（Pockels Effect），只在光各向异性的晶体和液体中存在。
电介质理论及其应用
25
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。 当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质 上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加 以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到 应用。
Ce
W / 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：
j E Be
电介质理论及其应用
b / E
28
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。
U—电压（V）；E—电场强度（V/m)；j—电流密度， (A/m2)
电介质理论及其应用
5
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 ） 相差1027倍。 导电机理有明显区别，因此对电介质电导需作 专门的讨论。
电介质理论及其应用
15
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
12
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
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。
电介质理论及其应用
13
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。 研究成果广泛用于工程领域——成为“电介 质工程”。
电介质的基本 介电现象
电介质理论及其应用
1
电介质的基本介电现象
主要内容：
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
电介质理论及其应用
2
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。
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。
电介质理论及其应用
9
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。 对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗 的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数— —介质损耗角正切tan。
电介质理论及其应用
14
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：
W
1 2K
E ,......,K
2
Vt Vi
1
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 的一个最主要的共性问题。
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）。 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。
电介质理论及其应用
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。
电介质理论及其应用
11
电介质在电场作用下的主要特性
1. 4 介质击穿
在高场强下介质的电导电 流将会成指数式激烈上升，导 致介质进入高导电的非平衡状
态——电介质击穿现象。
主要判据：
dI dU
dU 0 dI
电介质理论及其应用
为什么？
电介质理论及其应用
6
电介质在电场作用下的主要特性
1.2 介质极化
定义：极化是电介质中束缚在分 子内部或局部空间不能完全自由 运动的电荷，在电场作用下产生 局部的迁移而形成感应偶极矩的 物理现象。是电介质特有的性质。
电介质：在电场作用下能产生极化现象的材料。 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：
电介质理论及其应用
16
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。 而：介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用 下产生的热释电效应、在光照下引起的光电效应、导电性 突变的PTC效应等，则为相反的功能转换特性。 这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象 有关。因此，对介质的介电和功能特性要有全面的了解。
电介质理论及其应用
26
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。
电介质理论及其应用
27
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：
20
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 E
2
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。
电介质理论及其应用
21
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。
电介质理论及其应用
22
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：
电介质理论及其应用
18
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）”。
电介质理论及其应用
10
电介质在电场作用下的主要特性
定义：
IR I RU Pr tan 2 I C CU Pc
Pr电容介质损耗有功功率， Pc电容无功功率。
只有电导电流损耗时，tan与成倒数关系。
极性介质的tan与是有峰值的曲线关系，极性介 质的tan值比非极性介质的tan值大；而且tan随 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。
U 10 kA K U 1mA
U10 U1
kA
——试样通过10 kA电流时的电压 ——试样通过1 mA电流时的电压
电介质理论及其应用
19
电介质的功能特性
压电效应可以把力学信息转化为电信息，存在于非 对称结构的固体介质中，故有：
X dE xE
2
线性效应一般要比平方效应显著 非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应， 形成极化，其极化强度与应变成正比：
P eX
e——压电常数
电-机械平方效应则无逆向的机械-电效应。 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。
P 0 E
x——介质极化系数，0——真空介电常数，8.854×10-12F/m
电介质理论及其应用
7
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 量（C）与原真空电容器的电容量（C0）之比来计量。
3
电介质在电场作用下的主要特性
1. 1 介质电导
定义：电介质电导是电介 质 中 存 在 的 少 量 载 流 子， 贯 穿 整 个 介 质 而 构 成“ 漏 泄电流”的物理现象。 特点：在直流电压作用下 有较稳定的电流通过。
表征：用电阻率ρ v或电导 率γ 来表征材料的电导特 性。
电介质理论及其应用
n
c
r r
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。
电介质理论及其应用
23
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。 对于禁带宽度不宽的电介质和半导体，当光子能量 h >Eg （禁带宽度）时,能引起光电动势——光伏打效 应（Photovoltaic effect）。 此时光能转化为电能，但这种转化效率在半导体中 较强，如在硅和砷化镓中。现在，硅材料已成为一种应 用最广泛的太阳能电池材料。
U R I I G U
E j
I
v
4
电介质在电场作用下的主要特性
在电介质截面积为S、厚度为L的平板型材料 的情况下，则有：
U EL
由此可得：
I jS
Hale Waihona Puke L R v ( ) SG—电导，（S）
R—电阻，单位为欧姆（）；
ρ v—体电阻率，（· m）；
γ —体电导率，（S/m）
某些电介质在强光照射下，亦能观察到介电系数的 变化。其本质是光引起晶体中产生了激发态的激子，而 导致有附加的介质极化电矩，从而改变了r值。
电介质理论及其应用
24
电介质的功能特性
在强电场下介质中最重要的电光效应是光折射 率随电场强度的变化：
n E
2
或
n E
此效应可以是非线性的或线性的。
C r C0
由电工学可得：
r 0
P r 1 0E
8
r——相对介电常数，它与0的乘积，定义为介质的介电常数
D 0E P r 0 E E
电介质理论及其应用
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 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
电介质理论及其应用
17
电介质的功能特性
2. 1 电-机械特性
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 xE
2
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。
平方式效应称为克尔效应（Kerr effect），在任
何电介质中都能观察到。
线性电光效应称为普克尔效应（Pockels Effect），只在光各向异性的晶体和液体中存在。
电介质理论及其应用
25
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。 当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质 上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加 以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到 应用。
Ce
W / 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：
j E Be
电介质理论及其应用
b / E
28
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。
U—电压（V）；E—电场强度（V/m)；j—电流密度， (A/m2)
电介质理论及其应用
5
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 ） 相差1027倍。 导电机理有明显区别，因此对电介质电导需作 专门的讨论。
电介质理论及其应用
15
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
12
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
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。
电介质理论及其应用
13
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。 研究成果广泛用于工程领域——成为“电介 质工程”。
电介质的基本 介电现象
电介质理论及其应用
1
电介质的基本介电现象
主要内容：
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
电介质理论及其应用
2
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。
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。
电介质理论及其应用
9
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。 对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗 的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数— —介质损耗角正切tan。
电介质理论及其应用
14
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：
W
1 2K
E ,......,K
2
Vt Vi
1
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 的一个最主要的共性问题。
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）。 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。
电介质理论及其应用
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。
电介质理论及其应用
11
电介质在电场作用下的主要特性
1. 4 介质击穿
在高场强下介质的电导电 流将会成指数式激烈上升，导 致介质进入高导电的非平衡状
态——电介质击穿现象。
主要判据：
dI dU
dU 0 dI
电介质理论及其应用
为什么？
电介质理论及其应用
6
电介质在电场作用下的主要特性
1.2 介质极化
定义：极化是电介质中束缚在分 子内部或局部空间不能完全自由 运动的电荷，在电场作用下产生 局部的迁移而形成感应偶极矩的 物理现象。是电介质特有的性质。
电介质：在电场作用下能产生极化现象的材料。 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：
电介质理论及其应用
16
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。 而：介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用 下产生的热释电效应、在光照下引起的光电效应、导电性 突变的PTC效应等，则为相反的功能转换特性。 这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象 有关。因此，对介质的介电和功能特性要有全面的了解。
电介质理论及其应用
26
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。
电介质理论及其应用
27
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：