第六章无机材料的介电性能

介电材料存在时极板上电荷密度D:等于自由电荷密度与 束缚电荷密度之和：
由： r= (Qo+ Q1 )/Qo 得：r Qo /A = (Qo+ Q1 )/A
有：
r o E = (Qo+ Q1 )/A= D
D= o E+P= o r E = 1 E (l---绝对介电常数）
P= (1－ o)E = o ( r- 1) E
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电介质的电极化率e：束缚电荷和自由电荷的比例：
e=P/ oE= (r-1 ) 得： P= o eE（作用物理量与感
应物20理21/2量/6 间的关系）
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6.2.2 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
由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷， 它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电 荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。
结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束 缚电20荷21/2也/6 越多，电容量越大，相应电容器的尺寸 可减7 小。
极板上自由电荷密度: Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E----两极板间自由电荷形成的电场,也即宏观电场）
束缚电荷
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2. 物理量
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。
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202环1/2/6境条件范围，特别是温度范围。
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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）;
E2 = P /3o
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。
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6.2 介质的极化 6.2.1 极化现象及其物理量 1. 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
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+ －
偶极子
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3 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系
单位板面上束缚电荷的数值(极化电荷密度）可以用单位 体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。
设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号
电荷Q乘以间距d，则：
P= N /V = Q d/V= Q/A
－－－ －－－ －
+
+
+
－
－
－
+
+
（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
－－ － － －－ －
－ － －－ + + ++
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E1
外加电场E外
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++ + + ++ +
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。
+
－
－
－
+
+
+
－
－
－
+ 2+021/2/6+ + + + +
－
+－Q
－
P
+
+－Q + 6
两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压
成正比：
Qo=CoV
两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1，
有：
Qo+ Q1 =CV
相对介电常数r ：介电质引起电容量增加的比例 。
r=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo 电介质提高电容量的原因：
－－－
E1 E3 E2 E外
+++
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。
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
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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。
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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：
6.1 概论
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、热释电效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。
dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F
dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsin rd)(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 ：
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由
P= Q1 /A= oE1
得： 2021/2/6
E1 = P / o
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洛伦兹场E2的计算：
rsin P
－ d
O r
+ 空腔表面上的电荷密度： －P cos
黑环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
2021/2/6dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
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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：
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E
±
-q
+q 偶极子
l
电偶极矩 ：=ql（单位：库仑 ·米）
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。
质点的极化率： = /Eloc ，表征材料的极化能力。
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
介质的极化强度P：P= /V单位介质体积内的电偶极矩 总和。或束缚电荷的面密度。