【文章內容簡介】 位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化 (Ionic polarization)。 q +q E K = ? 當位移不是很大時 可將正負離子間的恢復力看成為準彈性力 qE kx?根據(jù)正、負離子對的固有諧振頻率用實驗方法求解 k值。 E iqEqx q Ek?a? ? ?正負離子位移形成的偶極距 2iqka ?離子極化率 ?離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數(shù)量級； ?離子位移極化只可能在 離子晶體 中存在，液體或氣體介質中不存在離子極化； ?離子位移極化只與 離子晶體結構參數(shù) 有關，與溫度無關； ?離子位移極化建立或消除時間與 離子晶格振動周期有相同數(shù)量級， 1012– 1013秒 。 離子位移極化模型（一維） 離子極化結論： ③ 偶極子轉向極化和極化率 當極性分子受外電場作用時，偶極子就會產(chǎn)生轉矩，由于偶極子與電場方向相同時具有最小位能，于是就電介質整體來看，偶極矩不再等于零，而 出現(xiàn)沿電場方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉向極化。 E 203d kT?a ?0 c o sEE????每一偶極子的勢能 Boltzman統(tǒng)計分布 203pEkT?? ?極性分子固有極距 0?極化建立時間： 106–102秒，為慢極化。 極化形式 發(fā)生極化的電介質 極化的頻率范圍 和溫度的關系 能量消耗 電子位移極化 一切陶瓷介質中 直流 光頻 無關 沒有 離子位移極化 離子結構介質 直流 紅外 溫度升高，極化增強 很微弱 離子松弛極化 離子結構的玻璃、結構不緊密的晶體及陶瓷 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 電子松弛極化 鈦質瓷、高價金屬氧化物基陶瓷 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 轉向極化 有機材料 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 空間電荷極化 結構不均勻的陶瓷介質 直流 超高 隨溫度升高而減弱 有 自發(fā)極化 溫度低于居里點的鐵電體 直流 超高頻 隨溫度變化有顯著極大值 很大 各種極化形式的綜合比較 電介質 極性材料 非極性材料 只有位移極化的電介質 有轉向極化的電介質 根據(jù)極化類型對電介質進行分類 微觀上， 根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質的分子極化可分為三類： 電子位移極化 ； 離子位移極化 ； 電偶極子轉向極化 。 3. 基本常數(shù) dSC ???dSC00 ??0?—— 靜態(tài)介電常數(shù) —— 真空介電常數(shù) r?0??? ?r—— 相對介電常數(shù) 介電常數(shù) 可理解為在單位 電場強度下，單位體積中 所存儲的能量。 電容 ① 介電常數(shù)（ dielectric coefficient） ② 介電強度 擊穿 指當施加于電介質上的電場強度或電壓增大到一定 程度時，電介質由介電狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)的現(xiàn)象。 dUE bb ?介電強度 填充電介質的目的是使極板間可承受的電位差能 比空氣介質承受的更高些，即提高其介電強度。 （一）熱擊穿 由于電介質內部 熱的不穩(wěn)定 過程所造成的。 ???? ?????? ? ?電 場 散 熱 條 件 不 利介 質 損 耗 發(fā) 熱 溫 度 升 高 介 質 分 解 、 炭 化 擊 穿影響因素 ?與材料的性能有關 ?絕緣結構（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關 因此熱擊穿強度 不能 看作是電介質材料的本征特性參數(shù) （二）電擊穿 在較低溫度下，采用了消除邊緣效應的電極裝置等嚴格控制的條件下，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。 主要特性： ?擊穿場強高（大致在 5～ 15MV/cm范圍），實用絕緣系統(tǒng)是不可能達到的 ?在一定溫度范圍內，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大 意義 ?反映了固體介質耐受電場作用能力的最大限度 ?僅與材料的化學組成及性質有關，材料的特性參數(shù)之一，又稱為 耐電 強度或電氣強度 （三）不均勻電介質的擊穿 包括固體、液體或氣體組合構成的絕緣結構中的一種 擊穿形式 。 擊穿往往是從耐電強度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局 部放電，然后或快或慢地隨時間發(fā)展至固體介質劣 化損傷逐步擴大，致使介質擊穿。 固體介質擊穿的一般規(guī)律： ? 固體介質的擊穿電場大于液體和氣體介質 Eb（氣體） =3?106 V/m Eb（液體） =107~108 V/m Eb（固體） =108~109 V/m ? 固體介質擊穿是永久性的 ? 從擊穿過程看： 電場的破壞 ——變成導體 ——電擊穿； 介質本身的破壞： a）熱破壞 ——熱擊穿； b）機械破壞 ——機械擊穿 ③ 電介質的電導 電介質中的帶電質點在電場作用下做定向遷移形成的。 固體電導 電子電導 離子電導 電子和空穴 可移動的正負離子和離子空位 低電場下 高電場下 體電導和表面電導 dSGVV ??dLGSs ??體電導率：由材料的本質所決定，與試樣尺寸無關。 表面電導：表示介質抵抗沿表面漏電的性能。 電介質表面的狀況 電介質表面的分子結構 空氣濕度 ④ 介電損耗 在外電場作用下，由電導作用和極化作用引起的 電介質內的能量損耗。 介電損耗 電導損耗 介質極化損耗 2EP ??靜電場中 交變電場中 電導損耗 電導損耗 電導損耗 并聯(lián)等效電路 串聯(lián)等效電路 引起介電損耗的微觀機制 普通無機晶體介質 (NaCl, SiO2等 ) 只有位移極化，損耗來源：離子電導，與電導率成正比 無定形玻璃介質 電導損耗、松弛損耗和結構損耗（ SiO網(wǎng)絡變形） 多晶陶瓷 離子電導，松弛損耗和夾層損耗 多相復合介質 界面電荷積累 —— “ 夾層極化” 有損耗電容器的等效電路和向量圖 并聯(lián)等效電路 串聯(lián)等效電路 損耗角和損耗因素 向量圖 δ—— 損耗角 tan δ —— 損耗因素 理想（真空）電容器無損耗， δ=0； δ越大，說明介質損耗越大。 電介質基本常數(shù)之間的關系 ? 提高電介質的介電常數(shù)有利于提高電容器的存儲電荷量，然而介電損耗也將隨之增加，因而尋找一種兼具有高介電常數(shù)和低介電損耗的電介質是當前科學研究者的任務。 ? 材料的介電常數(shù)越大，其介電強度不一定高； 電介質的電導越大，介電損耗也越高。 一些材料的介電性能 材料 相對介電常數(shù) 介電強度 /(kVcm1) 真空 1 ∞ 水 78 — 紙 紅寶石云母 16 琥珀 瓷器 熔凝石英 玻璃 電木 聚乙烯 二氧化鈦 100 103 (2) Dielectric Property 某些介電材料的性能 104 (3) Ferroelectricity 鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity 在一些電介質晶體中，晶胞的結構使正負電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質叫 鐵電性 。 具有自發(fā)極化的晶體是一個永久帶電體 ，在晶體內部及外部建立電場，電場強度取決于晶體的自發(fā)極化強度 Ps Chapter3 Properties of Materials 105 鐵電型電滯回線 106 居里溫度 Tc Curie temperature 鈦酸鋇：是電子陶瓷中使用最廣泛的材料之一，被譽為”電子陶瓷工業(yè)的支柱 壓電材料 是具有壓電效應的物質。 石英表，電報，超聲儀， 耳機，錄音機 …… ?某些電介質 ,外力的作用 → 變形 → 內部極化 → 表面正負電荷，外力去掉 → 恢復到不帶電的狀態(tài)； 正壓電效應 。 ?相反，電介質極化方向電場 → 發(fā)生變形，電場去掉后 → 變形隨之消失； 逆壓電效應 ，或電致伸縮現(xiàn)象。 quartz 電氣石 高頻震動 → 高頻電流 ； 高頻電信號 → 高頻聲信號（機械震動 ） 壓電性 Piezoelectricity ⑴ 石英晶體 ：如圖示，晶體內部正負離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的方向上的晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。 1P2P 3Pxy 1P2P 3Pxy??????? ? ? ? ? ?xFxF1P2P 3Pxy? ? ? ? ? ???????yF yF不受力 石英晶體壓電模型 壓電效應的物理機制 天然形成的石英晶體外形 石英晶體切片及雙面鍍銀封裝 石英晶體的壓電效應演示 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。 ⑵ 壓電陶瓷 未極化處理無壓電效應。 極化處理 → 兩端出現(xiàn)束縛電荷 → 表面吸附外界自由電荷。施加外壓 → 陶瓷片形變→ 片內束縛電荷層間距變小，兩端束縛電荷影響增強→ 表面的自由電荷過剩放電。外力是拉力 → 充電。 圖 5 束縛電荷和自由電荷排列示意圖 ? ? ? ? ? ?????????????? ? ? ? ? ?自由電荷 自由電荷 電極 束縛電荷 壓電晶體 壓電陶瓷 高分子壓電 材料 壓電系數(shù) 低 中 高 居里點 高 中 低 熱穩(wěn)定性 高 中 低 價格 高 低 低 在一定的溫度范圍之內 ,壓電性質一直存在 , 溫度超過這個范圍之后 ,壓電性質完全消失 這個高溫就是所謂的 “ 居里點 ” d33 壓電常數(shù)是反映力學量（應力或應變）與電學量（電位移或電場）間相互耦合的線性響應系數(shù)。 當沿壓電材料的極化方向（ z軸）施加壓應力 T3時，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關系式： 3 3 3 3= Q /AD d T? 　 式中 Q為產(chǎn)生電荷，Ａ為電極面積， d33為壓電常數(shù)，足標中第一個數(shù)字指電場方向或電極面的垂直方向，第二個數(shù)字指應力或應變方向； T3為應力； D3為電位移。 d33/ε =g33 壓電電壓常數(shù) 壓電材