【正文】 1 介 電 特 性 , 2022包 定 華 中山大學(xué)理工學(xué)院 Email: 2 ? 介電常數(shù)、介電損耗 ? 介電頻譜、溫譜 ? 介電材料的主要物理性質(zhì)及測量 ? 介電材料的應(yīng)用簡介 主要內(nèi)容 3 介電常數(shù)、介電損耗 4 表征材料導(dǎo)電性的大小 電學(xué)性質(zhì) 1. 電導(dǎo)率 5 電學(xué)性質(zhì) 歐姆定律 歐姆定律微分形式 決定電導(dǎo)率的基本參數(shù) 載流子 (n, 個(gè) /m3)： 電子、空穴、正離子、負(fù)離子 載流子遷移率 (載流子在單位電場中的遷移速度 ) μ=ν/E m2/() 電流密度 （單位時(shí)間通過單位截面積的電荷量） J＝ nqv 電導(dǎo)率 σ=J/E=nqv／ E =nqμ 6 理解材料的電導(dǎo)現(xiàn)象，必須明確幾個(gè)問題： 1）參與遷移的是哪種載流子 —有關(guān)載流子的類別 2）載流子的數(shù)量有多大 有關(guān)載流子濃度、載流子的產(chǎn)生過程 3）載流子遷移速度的大小 有關(guān)載流子輸運(yùn)過程 電導(dǎo)機(jī)制： 1）離子電導(dǎo)：一些電介質(zhì) 、 絕緣材料 2）電子電導(dǎo)：半導(dǎo)體、導(dǎo)電、超導(dǎo) 電學(xué)性質(zhì) 7 電介質(zhì)電容、介電常數(shù) ? 真空電容 Co=Qo/V ＝ ? os/d ? 電介質(zhì)電容 C＝ Q/V=?r ? os/d ? 相對介電常數(shù) εr = C / C0 電學(xué)性質(zhì) 介電常數(shù)是表征電介質(zhì)的最基本的參量。是衡量電介質(zhì)在電場下的極化行為或儲存電荷能力的參數(shù)。 2. 介電常數(shù) 8 在實(shí)際應(yīng)用中，通常用損耗角正切表示電介質(zhì)在交變電場下的損耗 39。ta nrr??? ?電學(xué)性質(zhì) 3. 介電損耗 電介質(zhì)在電場作用下 ,電導(dǎo)和部分極化過程會(huì)將一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽?，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。 (由電導(dǎo)和極化過程引起 ) 單位體積的介質(zhì)損耗功率： 2EtgP ????9 4. 電介質(zhì)的擊穿 絕緣強(qiáng)度 電介質(zhì)的擊穿 一般外電場不太強(qiáng)時(shí)，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。 當(dāng)其處在很強(qiáng)的外電場中時(shí)，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。 當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時(shí)，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿 (breakdown)。 外加電場強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。 電學(xué)性質(zhì) 10 介電強(qiáng)度：相應(yīng)的臨界電場強(qiáng)度 熱擊穿 熱擊穿的本質(zhì)： 處于電場中的介質(zhì)，由于介質(zhì)損耗而受熱； 當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)，散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入非平衡狀態(tài)，介質(zhì)的溫度將越來越高，直至出現(xiàn)永久性破壞。 擊穿電場強(qiáng)度 E=V/h V—擊穿電壓； h —材料厚度 擊穿電壓 —— 電介質(zhì)（或電容器）擊穿時(shí)兩極板的電壓 11 電擊穿 固體介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論： 在強(qiáng)電場作用下 ， 固體導(dǎo)帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子 ， 這些電子被加速 ， 獲得動(dòng)能； 高速電子與晶格振動(dòng)相互作用 ， 把能量傳遞給晶格； 上述兩個(gè)過程在一定溫度和場強(qiáng)下平衡時(shí) ， 固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)； 當(dāng)電子從電場中獲得能量大于傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí) ， 電子動(dòng)能越來越大； 大到一定值 ， 電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子 ， 使電子數(shù)目迅速增加 ， 電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài) ， 發(fā)生擊穿 。載流子數(shù)目迅速增加 。 12 電介質(zhì) ： 在電場作用下 ， 能建立極化的物質(zhì) 。 通常是指電阻率大于 1010?cm的一類在電場中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì) 。 電介質(zhì)的主要性能 ： 介電常數(shù) 介電損耗 介電強(qiáng)度 13 2 極化 polarization 在電場作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性隨電場方向改變的現(xiàn)象，稱為 電介質(zhì)的極化 。 3 自發(fā)極化 spontaneous polarization 在沒有外電場作用時(shí)，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為 自發(fā)極化 。 1 介電常數(shù) dielectric constant 表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為 介電常數(shù) ，用 ε 表示，無量綱。 14 ? 電介質(zhì)在電場作用下的極化程度用極化強(qiáng)度矢量 P表示，極化強(qiáng)度 P是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極矩，可表示為： ? 極化強(qiáng)度的單位為庫侖 /米 2 (C/m2) V??V 宏觀上無限小微觀上無限大的體積元 pi 每個(gè)分子的電偶極矩 P=lim ?pi ?V 電偶極矩 15 電偶極矩 ? ： ?=ql（ 單位：庫侖 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的方向一致。 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 16 電介質(zhì)的極化 材料可按其對外電場的響應(yīng)方式區(qū)分為兩類： 導(dǎo)電材料： 以電荷長程遷移即傳導(dǎo)的方式對外電場作出響應(yīng) 導(dǎo)體中的 自由電荷 在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成傳導(dǎo)電流。 電介質(zhì)： 以感應(yīng)的方式對外電場作出響應(yīng)，即沿著電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，這類材料稱為電介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。 在電介質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電荷以共價(jià)鍵或離子鍵的形式被相互強(qiáng)烈地束縛著，通常稱為 束縛電荷 。在電場作用下，正、負(fù)束縛電荷只能在微觀尺度上作相對位移，不能作定向運(yùn)動(dòng)。正負(fù)束縛電荷間的相對偏移，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。 在外電場作用下 , 電介質(zhì)內(nèi)部感生偶極矩的現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。 17 電介質(zhì)分為非極性電介質(zhì)和極性電介質(zhì)兩大類 。 非極性電介質(zhì)由非極性分子組成 ， 在無外電場時(shí)分子的正負(fù)電荷重心互相重合 ， 不具有電偶極矩 。 只是在外電場作用下正負(fù)電荷出現(xiàn)相對位移 ， 才出現(xiàn)電偶極矩 。 極性電介質(zhì)由極性分子組成 ， 即使在無外場時(shí)每個(gè)分子的正負(fù)電荷重心也不互相重合 ， 具有固有電矩 ， 它與鐵電性有密切關(guān)系 。 18 基本概念 真空 平行板電容器 介電材料 電場 電位移 極化強(qiáng)度 金屬板表面的 (正的與負(fù)的 )自由電荷 介電材料表面的束縛電荷 真空介電常數(shù) ( 1012As/Vm) 相對介電常數(shù) 電容 19 電位移矢量 真空電位移 材料極化 強(qiáng)度 極化率 相對介電 常數(shù) 非極化 極化 介電性質(zhì) 適用于： 電 機(jī)械 熱 極化 極化響應(yīng) 20 極化類型 電子極化 電子云與原子核的相對位移誘導(dǎo)電偶極子 離子極化 陰、陽離子的相對位移誘導(dǎo)電偶極子 轉(zhuǎn)向極化 固有電偶極子的指向在外場中轉(zhuǎn)向 空間電荷極化 在絕緣體界面移動(dòng)載流子形成的極化 電介質(zhì)的極化 21 電子極化 電子極化由電子云構(gòu)成的負(fù)電荷中心 (Ze0)在外電場中相對于帶正電的原子荷 (+Ze0)的位移引起的 電位移 誘導(dǎo)偶極子 微觀極化率 電極化率： 原子 /分子密度 22 離子極化是由離子晶體中陽離子 (＋ Q)與陰離子 (Q)的位移引起的 電位移 誘導(dǎo)偶極子 微觀極化率 電極化率： 原子 /分子密度 離子電荷 Ki描述了晶格的反作用力， Ki取決于晶格參數(shù) (離子間距，晶體結(jié)構(gòu)，束縛能 … .) 離子極化 23 取向極化 電偶極矩 pi 分子電偶極矩 pi 電極化強(qiáng)度 P 平均微觀極化率 aor 線性近似 電極化率 cor 24 25 介電損耗的形式 電介質(zhì)在電場作用下，內(nèi)部通過的電流包括： 1） 電容電流：由樣品的幾何電容充電引起電流（位移電流）； 2） 介質(zhì)極化的建立引起電流：與極化弛豫有關(guān)； 3） 介質(zhì)的電導(dǎo)（漏導(dǎo)）造成的電流：與自由電荷有關(guān)。 能量損耗：極化弛豫損耗、電導(dǎo)損耗、振動(dòng)損耗 介電損耗 26 損耗因子 在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓 V=Voei?t，電容上的電流與外電壓相差 90o的位相。 由 Q=CoV V=Q/Co=?Idt/Co I=CodV/dt 電容上的電流： Io=i?CoV 兩極板間充入非極性完全絕緣的材料， 電容上的電流： I=i?CV= i??rCoV= ?rIo 27 如果介質(zhì)有微弱的導(dǎo)電，則其中有一個(gè)與外加電壓相位相同的小電流（ I= i?CV+GV） 通過 V i?CV 設(shè)電導(dǎo) G僅由自由電荷產(chǎn)生，則 : G=?S/d , 由于電容 : C=?l S/d 則電流密度 : j=(i??l + ?)E= ?*E= i??l* E 復(fù)電導(dǎo)率 ?* 的定義： ?*= i??l + ? 復(fù)介電常數(shù)的定義： ?l*= ?* / i?= ?l i ?/ ? 損耗角 ?的定義： tg?=損耗項(xiàng) /電容項(xiàng) =?/ ? ?l 得： ? = ? ?l tg? （ ?l tg? 僅與介質(zhì)有關(guān)） 損耗因子： ?l tg? （ 其大小作為絕緣材料的判據(jù)） ? （（（（（（28 時(shí)間 介電弛豫 理想電介質(zhì) 實(shí)際電介質(zhì) V Q I V Q I 電荷累積與電流特性 29 極化強(qiáng)度隨時(shí)間變化的速率與其最終數(shù)值和某時(shí)刻實(shí)際值之差有以下關(guān)系： d(Pt－ Po)/dt=[(P?－ Po) － (Pt－ Po)]/? Pt－ Po=(P?－ Po) (1－ et/? ) 時(shí)間 P 理想 實(shí)際 Po P? 30 考慮自由電荷與束縛電荷的弛豫對介電常數(shù)的影響，復(fù)介電常數(shù)普通表達(dá)式： ?l*= ?l180。 i ?l180。180。 則： tg?=?l180。180。/ ?l180。 有： ?= ??ltg?? ? = ??l180。tg?= ? ?l18