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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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
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