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1、无机材料物理性能,2023年3月24日,第十九讲,无机材料的介电性能,第六章,概述,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1010cm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。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、扩大环境条件范围，特别是温度范围。,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
2、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）;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。,无机材料的介电性能,电介质指在电场作用下，能建立极化的一切物质,介质的极化指电介质在电场作用下产生感应电荷的现象,0真空介电常数8.8510-12,介质的介电常数,r相对介电常数,介质的极化,极化现象及其物理量,极化就是介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷重心的分离。,由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q)所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示,单位：德拜(D或库仑.米)。1D表
3、示单位正、负电荷间距为0.210-8 cm时的偶极矩。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。,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。,极化的物理量,极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点的极化率，用表示。表征材料的极化能力,极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，用P表示。或束
4、缚电荷的面密度。,局部电场Eloc：作用在微观质点上的局部电场。,极化的物理量,介质单位体积中的极化质点数为n，由于每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：,P与宏观平均电场E成正比,电介质极化系数,极化的物理量,宏观电场E,一、是外加电场；二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和,原子位置上的局部电场Eloc(有效电场),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：dF=（PcosdS/4o r2)cos由 qE=F 1E=F E=FdE=Pcos2dS/4o r2=(2rsind)(Pcos2/4o r2)=Pcos2 sin/2o r2 d整个空心球面上的电荷在O点产
5、生的电场为：dE由0到的积分洛伦兹场E2：E2=P/3o,E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，则E3=0。Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o,克劳修斯一莫索蒂方程,根据 D=o E+P得 P=D o E=（1 o）E=o（r 1）E由 Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o=E+o（r 1）/3o得 Eloc=（r+2）E/3设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又有 P=n=nEloc 得（r 1）/（r+2）=n/（3 o）上式为克劳修斯-莫索蒂方程,克劳修斯一莫索蒂方程,
6、其意义是表征极化特性的宏观参数-介电常数与微观参数-分子极化率联系起来，同时提供了计算介电性能参数的方法。,对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：,极化的基本形式：,第一种，位移极化：位移式极化-弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。第二种，松弛极化：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。,极化类型,弹性位移极化（电子、离子位移极化）松驰极化（电子、离子松驰极化）偶极子转向极化空间电荷极化自发极化高介晶体的极化,电子位移极化,电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化。,形成极化所需时间极短，约为10-15，故其r不随
7、频率变化；具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗；温度对电子式极化影响不大。,研究电子位移极化，关键是计算电子极化率，一般有如下两种模型：带电粒子间的弹性模型。圆周轨道模型(玻尔模型)。,电子位移极化,电子位移极化,弹性模型,动态,静态,建立牛顿方程：ma=-kx-eEoe it电偶极矩：=-ex=Eoe it1/(k/m)o2 2e2/m 弹性振子的固有频率：o=(k/m)1/2有：=e Eloc 得：,电子位移极化,玻尔原子模型,R,离子位移极化,形成极化所需时间极短，约为10-13，故在一般的频率范围内，可以认为r与频率无关；属弹性极化，
8、几乎没有能量损耗；温度对离子式极化的影响，存在两个相反的因素：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加，但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。,离子位移极化,离子位移极化模型,感生的电偶极矩为：=q(+-)=iEloc,正离子受到的弹性恢复力：-k(+-)负离子受到的弹性恢复力：-k(-+)运动方程：M+a=-k（+-)+qEoe it M-a=-k(-+)+qEoe it得：M*=M+M-/(M+M-)弹性振子的固有频率：o=(k/M*)1/2离子位移极化率：e=1/(o2 2)q2/M*0 静态极化率：i=q2/M*o2=q2 k,离子位移极化,相对运动约化质量（折合质量）,静
9、态,动态,弹性恢复力常数,松弛极化,松弛极化的特点：,松弛极化与质点的热运动有关；质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚至更大；极化建立的时间较长，达10-210-9；极化需要吸收一定的能量。,比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。,松弛极化,离子松弛极化,电子松弛极化,偶极子松弛极化,热松弛极化率:,转向极化,极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。形成极化所需时间较长，约为10-1010-2，故其r与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其r减小。温度对极性介质的r有很大的影响。,转向极化的特点:,转向极
10、化,转向极化主要发生在极性分子介质中。,根据经典统计，求得极性分子的转向极化率：,空间电荷极化,在电场的作用下不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起瓷体内各点离子密度变化，即出现偶极矩的极化。,定义：,空间电荷极化,特点：,其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时。属非弹性极化，有能量损耗。随温度的升高而下降，只在直流和低频下发生。,多晶多相无机材料的极化,两相的介电常数分别为1和2，浓度分别为1和2(1+2=1)。,当两相并联时：,当两相串联时：,当两相混合时：,陶瓷介质的极化,电工陶瓷按其极化形式可分为：,主要是电子位移极化的电介质，包括金红石瓷、钙钛矿瓷以及某些含锆陶瓷。主要是离子位移极化的材料，包括刚玉、斜顽辉石为基础的陶瓷以及碱性氧化物含量不多的玻璃。具有显著离子松弛极化和电子松弛极化的材料，包括绝缘子瓷、碱玻璃和高温含钛陶瓷。,各种极化形式的比较,谢谢！,
