無機(jī)材料的介電性能(已修改)
2025-05-31 09:20 本頁(yè)面
【正文】 概論 電介質(zhì) ：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于 1010?cm的一類在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。 陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用 ：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 電介質(zhì)的主要性能 ：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。 目前的發(fā)展方向： 新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。 無機(jī)材料與有機(jī)塑料比較： 有機(jī)塑料 : 便宜、易制成更精確的尺寸； 無機(jī)材料 : 具有優(yōu)良的電性能 。 室溫時(shí)在應(yīng)力作用下，無蠕變或形變 。 有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會(huì)氧化、氣化或分解） 。 能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。 真空 － + + + + － － － E － + + + + － － － － + + － － + + － + － + － + － + － + － + － + － + － 自由電荷 + － 偶極子 束縛電荷 1. 具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象 極化現(xiàn)象及其物理量 介質(zhì)的極化 電極化： 在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過程。 或在外電場(chǎng)作用下，正、負(fù)電荷盡管可以逆向移動(dòng)，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對(duì)位移并使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過程。 偶極子： 構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，形成一個(gè)偶極子。 2. 物理量 電偶極矩 ? ： ?=ql（單位：庫(kù)侖 米） 電偶極矩的方向： 負(fù)電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場(chǎng)的方向一致。 質(zhì)點(diǎn)的極化率 ?： ?= ?/Eloc ，表征材料的極化能力。 局部電場(chǎng) Eloc ： 作用在微觀質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)。 介質(zhì)的極化強(qiáng)度 P： P=? ?/V單位介質(zhì)體積內(nèi)的電偶極矩總和?；蚴`電荷的面密度。 177。 q +q l E 偶極子 － + + + + － － － － + + － － + + － + － + － + － + － + － + － + － + － 單位板面上束縛電荷的數(shù)值 (極化電荷密度）可以用單位體積材料中總的偶極矩即極化強(qiáng)度 P來表示。 設(shè) N是體積 V內(nèi)偶極矩的數(shù)目，電偶極矩相等于兩個(gè)異號(hào)電荷 ?Q乘以間距 d，則： P= N ? /V = Q d/V= Q/A － + + － － + P － Q + Q 3 介質(zhì)的極化強(qiáng)度與宏觀可測(cè)量之間的關(guān)系 兩塊金屬板間為真空時(shí)，板上的電荷與所施加的電壓成正比： Qo=CoV 兩板間放入絕緣材料，施加電壓不變電荷增加了 Q1， 有： Qo+ Q1 =CV 相對(duì)介電常數(shù) ?r ：介電質(zhì)引起電容量增加的比例 。 ?r=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo 電介質(zhì)提高電容量的原因： 由于質(zhì)點(diǎn)的極化作用，結(jié)果在材料表面感應(yīng)了異性電荷，它們束縛住板上一部分電荷，抵消（中和）了這部分電荷的作用，在同一電壓下，增加了電容量。 結(jié)果：材料越易極化，材料表面感應(yīng)異性電荷越多，束縛電荷也越多，電容量越大，相應(yīng)電容器的尺寸 可減小。 極板上自由電荷密度： Qo/A= CoV/A=(?o A/d)V/A= ?o E （ E兩極板間自由電荷形成的電場(chǎng)，也即宏觀電場(chǎng)） 介電材料存在時(shí)極板上電荷密度 D:等于自由電荷密度與束縛電荷密度之和： 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絕對(duì)介電常數(shù)） P= (?1－ ?o)E = ?o (? r 1) E 電介質(zhì)的電極化率 ?e：束縛電荷和自由電荷的比例： ?e=P/ ?oE= (?r1 ) 得： P= ?o ?eE（作用物理量與感應(yīng)物理量間的關(guān)系） 克勞修斯 莫索蒂方程 外加電場(chǎng) E外 E1 外加電場(chǎng) E外 (物體外部固定電荷所產(chǎn)生。 即極板上的所有電荷所產(chǎn)生） 構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和 E1 （退極化電場(chǎng)，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生） E宏=E外 +E1 1 . 宏觀電場(chǎng)： － + + + + － － － － + + － － + － + + + + － － － 2 . 原子位置上的局部電場(chǎng) Eloc （有效電場(chǎng)） Eloc=E外 +E1+E2+E3 +
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