第三章 介电材料.
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介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
介电材料
本章前几节中讨论的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴 等载流子在电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另 一类材料，即所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流 子在电场作用下的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生， 是因为材料中也存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的 位置上，但可以发生微小移动。这种微小移动起因于材料中束缚的 电荷，在电场作用下，正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电 极化，如此将电荷作用传递开来。
这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。 在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般 说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在 于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间 极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷 迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子 可以优先向负极方向迁移，因此在电极 -NaCl界面处建立了一个双 电层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不 再是介电质了。另外，上述 4种极化率的大小程度也不相同，一般 大小次序为： αe<αi < αd 4.4.3
主要用途
介电材料 具有很高
的电阻系数，主要的 应用是作为电的绝缘 体与电容器。 绝缘体：用来隔绝电 荷在电路中的传导， 如高压输电方面用的 陶瓷碍子（bell） 电容器：用来储存从 电路中接收到的电荷 的电子元件。
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地铁票、行李标签、免接触的信用卡等
又称电介质，是以电极化为特征的材料，是电的绝 缘材料。 分类：可分气体、液体、固体三大类。 气体：天然电介质：空气 非极性电介质：N2, He, O2, H2, CH4等 极性电介质：HCl, NO 液体：非极性：苯，CCl4 弱极性：二甲苯，汽油，煤油，变压器油 极性：乙醇，水 固体：非极性：金刚石、硫磺，聚四氟乙烯PTFE 极性：晶体，聚氯乙烯 用途：主要用于制造电容器
向极化。
1．电极化现象
介电材料本身不荷电荷，但将 其置于电场中，在其体积内部和表 面会感应出一定量的电荷。这种现 象称作电极化现象。这种极化现象 可以分为4类，如图4.21所示。 电子极化 任何材料都是由 原子和分子或离子构成的。原子可 以看作是由荷正电荷原子实和其外 荷负电的电子云所构成的。无电场 时，原子时的正电重心和电子云的 负电重心是重合在一起的。在电场 存在时，正电重心和负电重心发生 轻微错位，形成的极化称作电子极 化。
1
极化
polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极 性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。 单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量， 用P表示，其单位为C/m2。 2 自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的 有序排列而产生的极化，称为自发极化。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷 量称为自发极化强度。 3 介电常数 dielectric constant
a . 电子极化
b . 离子极化
c. 偶Leabharlann Baidu子极化
d. 空间电荷极化 无电场时 施加电场时
离子极化 离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的， 正负离子之间依靠静电引力形成离子键。离子晶体中，正负离子 没有平动和转动，只有振动，粒子间距离虽有微动，但其方向和 大小都是随机的。因此，整体上正电和负电重心是重合在一起的， 保持电中性。在电场作用下，正、负离子分别沿着不同电场方向 取向，趋向于与外电场一致的方向，产生的极化称作离子极化。
P 0 E
4. 相对介电常数 r (有时用κ或K表示)
可以说，介电材料的电学性质是通过外 界作用，其中包括电场、应力、温度等来实 现的，相应形成介电晶体、压电晶体、热释 电晶体和铁电晶体，并且依次后者属于前者 的大类，其共性是在外力作用下产生极化。 这几类材料的属于关系如图4.20所示。
第三章 介电材料（电介质）
dielectric materials
a . 电子极化
偶极子极化 由偶极分子结合成 的共价化合物，偶极子在无电 场时是随机取向的，但在电场 作用下，偶极子沿电场方向取 向，产生的电极化称作偶极极 化。
b . 离子极化
c. 偶极子极化
2. 极化强度P 介电材料的极化强度是单位体积内电偶极 矩的矢量和
P
V n
极化效应的大小通常用单位体积内的电偶极矩或其介质表面的极化 电荷密度来衡量，称作电极化强度P，相应电场强度为E，那么有： P=αE 4.4.1 式中α定义为介电晶体的电极化率，决定于介电物质的本质。电极化 率可以分解为电子极化率 αe、离子极化率αi、偶极极化率αd，总极化 率α是它们的总和： α=αe+αi+αd 4.4.2
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数， 用ε表示，无量纲。
介电材料的特征值 电极化：在电场作用下分子中正负电荷 中心发生相对位移而产生电偶极矩的现 象
1.分子极化率α 在电场作用下，介电材料产生电偶极矩μ
E
电场E
电介质的极化有3种主要基本过程，即:
材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化； 分子中正、负离子相对位移造成的离子极化; 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转
3. 静态介电常数 介电常数 表征介质在外电场作用下极化程度的物理量， 介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对 电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束 缚能力越强。用ε表示 ，其单位是F· m-1。
介电常数的大小 用于衡量绝缘体储存电能的性能. 它是两块金属 板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的 两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之 比。 静态介电常数与极化强度P的关系为
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
介电材料
本章前几节中讨论的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴 等载流子在电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另 一类材料，即所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流 子在电场作用下的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生， 是因为材料中也存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的 位置上，但可以发生微小移动。这种微小移动起因于材料中束缚的 电荷，在电场作用下，正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电 极化，如此将电荷作用传递开来。
这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。 在一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。一般 说来，电子极化存在于一切类型的固体物质中，离子极化主要存在 于离子晶体中，偶极极化主要存在于具有永久偶极的物质中，空间 极化则主要存在于那些结构非理想的、内部可以发生某种长程电荷 迁移的介电物质中。例如氯化钠晶体中存在阴离子空位时，阳离子 可以优先向负极方向迁移，因此在电极 -NaCl界面处建立了一个双 电层。当然，这类效应显著时，则形成了导体或快离子导体，而不 再是介电质了。另外，上述 4种极化率的大小程度也不相同，一般 大小次序为： αe<αi < αd 4.4.3
主要用途
介电材料 具有很高
的电阻系数，主要的 应用是作为电的绝缘 体与电容器。 绝缘体：用来隔绝电 荷在电路中的传导， 如高压输电方面用的 陶瓷碍子（bell） 电容器：用来储存从 电路中接收到的电荷 的电子元件。
Market impact of FE “Smart Cards”
地铁票、行李标签、免接触的信用卡等
又称电介质，是以电极化为特征的材料，是电的绝 缘材料。 分类：可分气体、液体、固体三大类。 气体：天然电介质：空气 非极性电介质：N2, He, O2, H2, CH4等 极性电介质：HCl, NO 液体：非极性：苯，CCl4 弱极性：二甲苯，汽油，煤油，变压器油 极性：乙醇，水 固体：非极性：金刚石、硫磺，聚四氟乙烯PTFE 极性：晶体，聚氯乙烯 用途：主要用于制造电容器
向极化。
1．电极化现象
介电材料本身不荷电荷，但将 其置于电场中，在其体积内部和表 面会感应出一定量的电荷。这种现 象称作电极化现象。这种极化现象 可以分为4类，如图4.21所示。 电子极化 任何材料都是由 原子和分子或离子构成的。原子可 以看作是由荷正电荷原子实和其外 荷负电的电子云所构成的。无电场 时，原子时的正电重心和电子云的 负电重心是重合在一起的。在电场 存在时，正电重心和负电重心发生 轻微错位，形成的极化称作电子极 化。
1
极化
polarization
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极 性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。 单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量， 用P表示，其单位为C/m2。 2 自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的 有序排列而产生的极化，称为自发极化。 在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷 量称为自发极化强度。 3 介电常数 dielectric constant
a . 电子极化
b . 离子极化
c. 偶Leabharlann Baidu子极化
d. 空间电荷极化 无电场时 施加电场时
离子极化 离子化合物是由正负离子按照一定堆积方式形成的， 正负离子之间依靠静电引力形成离子键。离子晶体中，正负离子 没有平动和转动，只有振动，粒子间距离虽有微动，但其方向和 大小都是随机的。因此，整体上正电和负电重心是重合在一起的， 保持电中性。在电场作用下，正、负离子分别沿着不同电场方向 取向，趋向于与外电场一致的方向，产生的极化称作离子极化。
P 0 E
4. 相对介电常数 r (有时用κ或K表示)
可以说，介电材料的电学性质是通过外 界作用，其中包括电场、应力、温度等来实 现的，相应形成介电晶体、压电晶体、热释 电晶体和铁电晶体，并且依次后者属于前者 的大类，其共性是在外力作用下产生极化。 这几类材料的属于关系如图4.20所示。
第三章 介电材料（电介质）
dielectric materials
a . 电子极化
偶极子极化 由偶极分子结合成 的共价化合物，偶极子在无电 场时是随机取向的，但在电场 作用下，偶极子沿电场方向取 向，产生的电极化称作偶极极 化。
b . 离子极化
c. 偶极子极化
2. 极化强度P 介电材料的极化强度是单位体积内电偶极 矩的矢量和
P
V n
极化效应的大小通常用单位体积内的电偶极矩或其介质表面的极化 电荷密度来衡量，称作电极化强度P，相应电场强度为E，那么有： P=αE 4.4.1 式中α定义为介电晶体的电极化率，决定于介电物质的本质。电极化 率可以分解为电子极化率 αe、离子极化率αi、偶极极化率αd，总极化 率α是它们的总和： α=αe+αi+αd 4.4.2
表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数， 用ε表示，无量纲。
介电材料的特征值 电极化：在电场作用下分子中正负电荷 中心发生相对位移而产生电偶极矩的现 象
1.分子极化率α 在电场作用下，介电材料产生电偶极矩μ
E
电场E
电介质的极化有3种主要基本过程，即:
材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化； 分子中正、负离子相对位移造成的离子极化; 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转
3. 静态介电常数 介电常数 表征介质在外电场作用下极化程度的物理量， 介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对 电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束 缚能力越强。用ε表示 ，其单位是F· m-1。
介电常数的大小 用于衡量绝缘体储存电能的性能. 它是两块金属 板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的 两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之 比。 静态介电常数与极化强度P的关系为