【文章內(nèi)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(dāng)位移不是很大時(shí) 可將正負(fù)離子間的恢復(fù)力看成為準(zhǔn)彈性力 qE kx?根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解 k值。 E iqEqx q Ek?a? ? ?正負(fù)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(jí)； ?離子位移極化只可能在 離子晶體 中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化； ?離子位移極化只與 離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù) 有關(guān)，與溫度無關(guān)； ?離子位移極化建立或消除時(shí)間與 離子晶格振動(dòng)周期有相同數(shù)量級(jí)， 1012– 1013秒 。 離子位移極化模型（一維） 離子極化結(jié)論： ③ 偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率 當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來看，偶極矩不再等于零，而 出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。 E 203d kT?a ?0 c o sEE????每一偶極子的勢(shì)能 Boltzman統(tǒng)計(jì)分布 203pEkT?? ?極性分子固有極距 0?極化建立時(shí)間： 106–102秒，為慢極化。 極化形式 發(fā)生極化的電介質(zhì) 極化的頻率范圍 和溫度的關(guān)系 能量消耗 電子位移極化 一切陶瓷介質(zhì)中 直流 光頻 無關(guān) 沒有 離子位移極化 離子結(jié)構(gòu)介質(zhì) 直流 紅外 溫度升高，極化增強(qiáng) 很微弱 離子松弛極化 離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)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(zhì)瓷、高價(jià)金屬氧化物基陶瓷 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 轉(zhuǎn)向極化 有機(jī)材料 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 空間電荷極化 結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì) 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(diǎn)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(zhì) 極性材料 非極性材料 只有位移極化的電介質(zhì) 有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì) 根據(jù)極化類型對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行分類 微觀上， 根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)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(zhuǎn)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(duì)介電常數(shù) 介電常數(shù) 可理解為在單位 電場(chǎng)強(qiáng)度下，單位體積中 所存儲(chǔ)的能量。 電容 ① 介電常數(shù)（ dielectric coefficient） ② 介電強(qiáng)度 擊穿 指當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓增大到一定 程度時(shí)，電介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。 dUE bb ?介電強(qiáng)度 填充電介質(zhì)的目的是使極板間可承受的電位差能 比空氣介質(zhì)承受的更高些，即提高其介電強(qiáng)度。 （一）熱擊穿 由于電介質(zhì)內(nèi)部 熱的不穩(wěn)定 過程所造成的。 ???? ?????? ? ?電 場(chǎng) 散 熱 條 件 不 利介 質(zhì) 損 耗 發(fā) 熱 溫 度 升 高 介 質(zhì) 分 解 、 炭 化 擊 穿影響因素 ?與材料的性能有關(guān) ?絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān) 因此熱擊穿強(qiáng)度 不能 看作是電介質(zhì)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(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。 主要特性： ?擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在 5～ 15MV/cm范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的 ?在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大 意義 ?反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度 ?僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為 耐電 強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度 （三）不均勻電介質(zhì)的擊穿 包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種 擊穿形式 。 擊穿往往是從耐電強(qiáng)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(shí)間發(fā)展至固體介質(zhì)劣 化損傷逐步擴(kuò)大，致使介質(zhì)擊穿。 固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律： ? 固體介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)大于液體和氣體介質(zhì) 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(zhì)擊穿是永久性的 ? 從擊穿過程看： 電場(chǎng)的破壞 ——變成導(dǎo)體 ——電擊穿； 介質(zhì)本身的破壞： a）熱破壞 ——熱擊穿； b）機(jī)械破壞 ——機(jī)械擊穿 ③ 電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下做定向遷移形成的。 固體電導(dǎo) 電子電導(dǎo) 離子電導(dǎo) 電子和空穴 可移動(dòng)的正負(fù)離子和離子空位 低電場(chǎng)下 高電場(chǎng)下 體電導(dǎo)和表面電導(dǎo) dSGVV ??dLGSs ??體電導(dǎo)率：由材料的本質(zhì)所決定，與試樣尺寸無關(guān)。 表面電導(dǎo)：表示介質(zhì)抵抗沿表面漏電的性能。 電介質(zhì)表面的狀況 電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu) 空氣濕度 ④ 介電損耗 在外電場(chǎng)作用下，由電導(dǎo)作用和極化作用引起的 電介質(zhì)內(nèi)的能量損耗。 介電損耗 電導(dǎo)損耗 介質(zhì)極化損耗 2EP ??靜電場(chǎng)中 交變電場(chǎng)中 電導(dǎo)損耗 電導(dǎo)損耗 電導(dǎo)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(jī)制 普通無機(jī)晶體介質(zhì) (NaCl, SiO2等 ) 只有位移極化，損耗來源：離子電導(dǎo)，與電導(dǎo)率成正比 無定形玻璃介質(zhì) 電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗（ SiO網(wǎng)絡(luò)變形） 多晶陶瓷 離子電導(dǎo)，松弛損耗和夾層損耗 多相復(fù)合介質(zhì) 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(zhì)損耗越大。 電介質(zhì)基本常數(shù)之間的關(guān)系 ? 提高電介質(zhì)的介電常數(shù)有利于提高電容器的存儲(chǔ)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(zhì)是當(dāng)前科學(xué)研究者的任務(wù)。 ? 材料的介電常數(shù)越大，其介電強(qiáng)度不一定高； 電介質(zhì)的電導(dǎo)越大，介電損耗也越高。 一些材料的介電性能 材料 相對(duì)介電常數(shù) 介電強(qiáng)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(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)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(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫 鐵電性 。 具有自發(fā)極化的晶體是一個(gè)永久帶電體 ，在晶體內(nèi)部及外部建立電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度取決于晶體的自發(fā)極化強(qiáng)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(yù)為”電子陶瓷工業(yè)的支柱 壓電材料 是具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)。 石英表，電報(bào)，超聲儀， 耳機(jī)，錄音機(jī) …… ?某些電介質(zhì) ,外力的作用 → 變形 → 內(nèi)部極化 → 表面正負(fù)電荷，外力去掉 → 恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)； 正壓電效應(yīng) 。 ?相反，電介質(zhì)極化方向電場(chǎng) → 發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后 → 變形隨之消失； 逆壓電效應(yīng) ，或電致伸縮現(xiàn)象。 quartz 電氣石 高頻震動(dòng) → 高頻電流 ； 高頻電信號(hào) → 高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng) ） 壓電性 Piezoelectricity ⑴ 石英晶體 ：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)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(dǎo)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(yīng)的物理機(jī)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(yīng)演示 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，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(yīng)。 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(nèi)束縛電荷層間距變小，兩端束縛電荷影響增強(qiáng)→ 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(diǎn) 高 中 低 熱穩(wěn)定性 高 中 低 價(jià)格 高 低 低 在一定的溫度范圍之內(nèi) ,壓電性質(zhì)一直存在 , 溫度超過這個(gè)范圍之后 ,壓電性質(zhì)完全消失 這個(gè)高溫就是所謂的 “ 居里點(diǎn) ” d33 壓電常數(shù)是反映力學(xué)量（應(yīng)力或應(yīng)變）與電學(xué)量（電位移或電場(chǎng)）間相互耦合的線性響應(yīng)系數(shù)。 當(dāng)沿壓電材料的極化方向（ z軸）施加壓應(yīng)力 T3時(shí)，在電極面上產(chǎn)生電荷，則有以下關(guān)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(biāo)中第一個(gè)數(shù)字指電場(chǎng)方向或電極面的垂直方向，第二個(gè)數(shù)字指應(yīng)力或應(yīng)變方向； T3為應(yīng)力； D3為電位移。 d33/ε =g33 壓電電壓常數(shù) 壓電材