材料物理性能-第5章-介电性能

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－－
P
+ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
+
+
－
－－
+++ +++ +
+
+－Q +
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：
－
－
－
－ －－－ －－－ －
+
+
+
－
－
－
真空
+
+
+
E
－
－
－
+
+
+
－
－
－
+
+
+
+ +++ +++ +
自由电荷
+ －
偶极子
束缚电荷
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。
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 缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸 可减小。
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）
第 5 章 材料的介电性能
引言
在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材料 就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流的 绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，以 适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，围 绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用 下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体的 介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为其 主要内容。
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作用于介质中质点的内电场
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。
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
随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技 术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料来 应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用、 使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同。
以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研 究物质内部电极化过程。
固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供 利用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、 铁电性等，从而引起了广泛的研究。实际上，这些 性质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子) 以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在，固 态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭 的领域。特别是在激光出现以后，研究晶态电介质 与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态 非线性光学。
当平板之间插入一种材料后，平板电容器的电容增加为C：
C0

Q V

0
V /
V
d

A

0A/
d
C rC0
该材料称为介电材料，属于电介质。
电介质——在电场作用下能建立极化的物质,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。
5.1 电介质及其极化 5.1.2 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
－－ － － －－ －
+
+
++
E1
外加电场E外
－ － －－
++ + + ++ +
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。
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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。
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：
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 应物理量间的关系）
5.1.3 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
（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
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
－－－ －－－ －
－ +－Q －
+
+
+
－
－－
+
+
+
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
第 5 章 材料的介电性能
5.1 电介质及其极化 5.2 介质损耗 5.3 电介质的击穿 5.4 铁电性与压电性
5.1 电介质及其极化
5.1 电介质及其极化
5.1.1 电介质 在电学理论中，给出电容的定义为：
对于真空平板电容器有：
CQ V
Q A 0EA 0 V / d A
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。
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。