介电极化(材料物理性能)-PPT.ppt
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1、ChengduUniversityofTechnology21.1.掌握电介质极化的形式和特点;掌握电介质极化的形式和特点;2.2.了解复介电常数的意义和介质损耗的形式;了解复介电常数的意义和介质损耗的形式;3.3.掌握提高介质材料介电强度的方法。掌握提高介质材料介电强度的方法。一、介质的极化一、介质的极化二、介质的损耗二、介质的损耗三、介电强度三、介电强度由于介质材料在电场的作用下,带电质点发生短距离的位移,而不是传导电流,因此在电场中表现出特殊的性状,大量地用于电绝缘体和电容元件。要求要求 本章内容本章内容第第4 4章章 材料的介电性能材料的介电性能341.1.电介质电介质:通常通常101
2、09 9 m m,从电场这一从电场这一角度看,电介质就是绝缘体角度看,电介质就是绝缘体 2.2.极化现象:极化现象:概述在电场作用下,能建立极化的一切物质。在电场作用下,能建立极化的一切物质。导体:导体:10-5 m半导体:半导体:10-5 m 109 m 将电介质放入电场,表面出现电荷。这种在将电介质放入电场,表面出现电荷。这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做电介质的极化。所产生的电荷称之为电介质的极化。所产生的电荷称之为“感应电感应电荷荷”。只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。5正极板附近的介质表
3、面上感应出负电荷正极板附近的介质表面上感应出负电荷负极板附近的介质表面上感应出正电荷负极板附近的介质表面上感应出正电荷+-E3 3、电介质内部的总场强、电介质内部的总场强 极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消,它只能削弱外电场。外电场完全抵消,它只能削弱外电场。介质内部的总场强不为零!介质内部的总场强不为零!63.3.电介质的结构电介质的结构电介质的主要特征电介质的主要特征:质点中电子被原子核束缚得很质点中电子被原子核束缚得很紧,即使在外电场作用下,电子一紧,即使在外电场作用下,电子一般只能相对于原子核有一微观的位般只能相对于原子核有一
4、微观的位移,而不象导体中的电子那样,能移,而不象导体中的电子那样,能够脱离所属原子作宏观运动。够脱离所属原子作宏观运动。-+H2+-TiO-O-TiO2-+71)真空平行板电容器C0A为面积,d为板极间距,0真空介电常数0=8.8510-12 Fm(法拉/米)是电介质的介电常数,r称相对介电常数。r反映了电介质极化的能力4.4.电容电容2)嵌入电介质的电容器C8物质真空空气玻璃水纸云母钛酸钡11510783.53.77.5103104电介质对电容器的的影响电介质对电容器的的影响(1 1)可以使电容)可以使电容 C C 增加;增加;C=CC=C0 0 其中其中 C C0 0是电容器极板间为真空时
5、的是电容器极板间为真空时的电容。电容。(2 2)极板间其间充满均匀的电介质可以)极板间其间充满均匀的电介质可以 增加电容器的耐压能力(与空增加电容器的耐压能力(与空气相比)。气相比)。物质空气云母玻璃纸钛酸钡介电强度(KV/mm)3802005131640310394.1介质的极化 一、极化及极化参数一、极化及极化参数二、克劳修斯二、克劳修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程三、介质的极化三、介质的极化掌握介质的极化现象及其物理量;掌握介质的极化现象及其物理量;理解介质极化的各种形式(包括电子位移极化、离子位移极化、松理解介质极化的各种形式(包括电子位移极化、离子位移极化、松驰极化、转向极化、空间电荷有为
6、化、自发极化),驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化),要求要求:分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。通过定义电介极化强度通过定义电介极化强度建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系,建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系,电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电场之间的关系,推导出介电常数与质点极化率的关系。电场之间的关系,推导出介电常数与质点极化率的关系。10一、极化及极化参数一、极化及极化参数电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化电介质最重要的
7、性质是在外电场作用下能够极化1.1.极化极化非极性介质极化过程:非极性介质极化过程:2)有了外电场,正、负电荷将分别受到相反方有了外电场,正、负电荷将分别受到相反方向的电场力作用而被拉开,导致正、负电荷中向的电场力作用而被拉开,导致正、负电荷中心发生相对位移。心发生相对位移。3)介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷重心的分离,从而转变成偶极子的过程。重心的分离,从而转变成偶极子的过程。1)无外加电场时,正、负电荷中心是重合的)无外加电场时,正、负电荷中心是重合的;11 在外电场作用下,电介质的两个表面分别出现的正电在外电场作用下,电介质的两个表面分别出现
8、的正电荷和负电荷,它们荷和负电荷,它们是和介质分子连在一起的,不能在电介是和介质分子连在一起的,不能在电介质中自由移动,也不能脱离电介质而独立存在,故称为束质中自由移动,也不能脱离电介质而独立存在,故称为束缚电荷或极化电荷。缚电荷或极化电荷。4 4)每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列;)每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列;在外电场作用下,电介质出现束缚电荷在外电场作用下,电介质出现束缚电荷的这种现象,称为电介质的极化。的这种现象,称为电介质的极化。5 5)在和外电场垂直的电介质两侧表面上,分别出现)在和外电场垂直的电介质两侧表面上,分别出现正、负电荷,为束缚电荷或极化电荷。
9、正、负电荷,为束缚电荷或极化电荷。束缚电荷或极化电荷束缚电荷或极化电荷123 3)当有外电场)当有外电场 时,每个偶极子受到力偶矩作用,时,每个偶极子受到力偶矩作用,各个各个偶极子方向趋向一致,要转向外电场的方向偶极子方向趋向一致,要转向外电场的方向 。极性介质极化过程极性介质极化过程4 4)在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。)在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。1 1)介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重)介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重合,存在一定距离,自身形成一个偶极子;合,存在一定距离,自身形成一个偶极子;2 2)无外加电场时,各个偶极子方向随机排列,)无
10、外加电场时,各个偶极子方向随机排列,杂乱无序;杂乱无序;5 5)如果撤去外电场,由于分子热运动,偶极子的排列又将)如果撤去外电场,由于分子热运动,偶极子的排列又将变得杂乱无序,电介质又恢复电变得杂乱无序,电介质又恢复电 中性状态。中性状态。13偶极子:在电场作用下,构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短偶极子:在电场作用下,构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动,组成一个偶极子。程移动,组成一个偶极子。l l -q-q+q+qE E偶极子偶极子2.2.极化物理量极化物理量(1(1)电偶极矩)电偶极矩 :=ql ql(单位:库仑(单位:库仑 米)米)电偶极矩的方向:负电荷指向正电荷
11、。电偶极矩的方向与外电场的方向一致电偶极矩的方向:负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致2.1电偶极矩电偶极矩 质点的极化率质点的极化率:=/Eloc,表征材料的极化能力表征材料的极化能力局部电场局部电场E Elocloc :作用在微观质点上的局部电场:作用在微观质点上的局部电场14(2 2)外电场对点偶极子的作用)外电场对点偶极子的作用在外电场在外电场E的作用下一个点电偶极子的作用下一个点电偶极子p的位能的位能:上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时,能量为上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时,能量为最低,而反向时能量为最高。最低,而反向时能量为最高。U=-p E力力f使电偶极
12、矩向电力线密集处平移,力矩使电偶极矩向电力线密集处平移,力矩M使电偶极矩朝外电使电偶极矩朝外电场方向旋转。场方向旋转。点电偶极子所受外电场的作用力点电偶极子所受外电场的作用力f和作用力矩和作用力矩M分别分别:f=pE;M=p E15(1 1)介质的极化强度)介质的极化强度P P:P=P=/V/V单位介质体积内的电偶极矩总和单位介质体积内的电偶极矩总和 电介质极化系数电介质极化系数P P与宏观平均电场与宏观平均电场E E成正比成正比,2.2极化强度极化强度P PP=P=(0 0)E=E=0 0(r r-1)1)E E ,可以得出电介质的相对可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率介电常数与相对
13、电极化率 有以下关系有以下关系:极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量,其单位为极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量,其单位为C/mC/m2 2。(2 2)介质的极化强度与宏观可测量之间的关系)介质的极化强度与宏观可测量之间的关系对各向同性介质,实验表明,当电场不太强时,极化强度与对各向同性介质,实验表明,当电场不太强时,极化强度与场强成正比场强成正比 r r=1 1+16二、克劳修斯二、克劳修斯-莫索蒂方程:莫索蒂方程:在外电场的作用下电介质发生极化,整个介质出现宏观电场,但作在外电场的作用下电介质发生极化,整个介质出现宏观电场,但作用在每个分子或原子上使之极化的局部电场(也叫有效场)并不
14、包括该用在每个分子或原子上使之极化的局部电场(也叫有效场)并不包括该分子或原子自身极化所产生的电场,因而局部电场不等于宏观电场。但分子或原子自身极化所产生的电场,因而局部电场不等于宏观电场。但局部电场与宏观电场有关。局部电场与宏观电场有关。宏观电场宏观电场E E 平行板两端的实际电场强度为外加电场平行板两端的实际电场强度为外加电场E E外外与退极化场与退极化场E E1 1之和。即之和。即E=EE=E外外+E+E1 1,这一电场为宏观电场。这一电场为宏观电场。原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc也叫有效电场。也叫有效
15、电场。晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场E E外外与晶体内部内部其它原子与晶体内部内部其它原子偶极子所产生的电场之和偶极子所产生的电场之和,即即E Elocloc=E E外外+E E总总。对于气体质点,其质点的相互作用可以忽略,局部电场与外电场相同对于气体质点,其质点的相互作用可以忽略,局部电场与外电场相同17 构成物体的所有质点电荷的电场之和构成物体的所有质点电荷的电场之和E E1 1 (退极化电场,即由材料表面感应的电荷所产生)(退极化电场,即由材料表面感应的电荷所产生)1.1.宏观电场:宏观电场:外加电场外加电场E E外外E E1 1+退极化
16、场退极化场E E1 1外加电场外加电场E E外外(物体外部固定电荷所产生。物体外部固定电荷所产生。即极板上的所有电荷所即极板上的所有电荷所产生)产生)E E宏宏=E=E外外+E+E1 118退极化场退极化场E E1 12 2原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc1 1)局部电场)局部电场晶体中其它原子所产晶体中其它原子所产生的电场生的电场E E总外加电场外加电场E E外外晶体中原子上的内电场晶体中原子上的内电场球外介质球外介质的作用:的作用:晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原子晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原子的偶极矩在一个
17、原子位置上所产生的总场:的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场:E E总总=E E1 1+E+E2 2+E+E3 3洛伦兹场洛伦兹场E E2 2:空球表面极化空球表面极化电荷作用场电荷作用场(E E2 2)称为洛伦兹场称为洛伦兹场E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响,其值由晶体结构决定为只考虑质点附近偶极子的影响,其值由晶体结构决定空腔内其他偶极子的场空腔内其他偶极子的场E E3 3 :晶体中其它原子所产生的电场晶体中其它原子所产生的电场E E总19由由 P=P=Q Q1 1/A=/A=o oE E1 1得:得:E E1 1=P P/o o 退极化场退极化场E E1 1:对于平板其值为束缚电
18、荷在无介质存在时形成的电场:对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场:外加电场外加电场E E外外E E1 1+2 2)局部电场)局部电场E Elocloc为了方便,可将其他原子偶极子场进行分解,并对其求和。为了方便,可将其他原子偶极子场进行分解,并对其求和。20洛伦兹场洛伦兹场E E2 2 :在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔,空腔表面上在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔,空腔表面上的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场E E2 2。可根据库仑定律。可根据库仑定律以以 表示相对于极化方向的夹角,表示相对于极化方向的夹角,处空腔表面
19、上的面电荷密度就是处空腔表面上的面电荷密度就是-P Pcoscos,取,取dd角对应的微小环球面,其表面积角对应的微小环球面,其表面积d dS S为:为:21dqdq在空腔球心在空腔球心O O点产生的电场点产生的电场dSdS面上的电荷:面上的电荷:整个空腔球面上的电荷在整个空腔球面上的电荷在O O点产生的洛伦兹场点产生的洛伦兹场E E2 2:22 E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响,其值由晶体结构决为只考虑质点附近偶极子的影响,其值由晶体结构决定,具有对称中心及立方对称环境结构的晶体,定,具有对称中心及立方对称环境结构的晶体,E E3 3=0=0。得局部电场(洛伦兹关系)得局部电场(洛伦
20、兹关系):空腔内其他偶极子的场空腔内其他偶极子的场E E3 3233 3克劳修斯克劳修斯莫索蒂方程莫索蒂方程克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程:莫索蒂方程:由P=0(r-1)E,及P=nEloc24(r1)/(r+2)=n/(3o)(r1)/(r+2)-r越大其值越大克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程的意义:莫索蒂方程的意义:建立了可测物理量建立了可测物理量 r r (宏观量)与质点极化率(宏观量)与质点极化率(微观量)之间的关系(微观量)之间的关系克劳修斯克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围:莫索蒂方程的适用范围:由于在推导克劳修斯由于在推导克劳修斯-莫索蒂方程上时,假设莫索蒂方程上时,假设E E3 3=0=
21、0,适用于分子间作用,适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体高介电常数质点的高介电常数质点的 r r 和和 :从克劳修斯从克劳修斯-莫索蒂方程可知,为了获得高介电常数的介质,莫索蒂方程可知,为了获得高介电常数的介质,需要选择大需要选择大 的离子,极化介质中极化质点数的离子,极化介质中极化质点数n n要多,即单位体积的极化质点数要多要多,即单位体积的极化质点数要多25第二种是松弛极化。这种极化与热运动有关,完成这种极化需要一定的时第二种是松弛极化。这种极化与热运动有关,完成这种极化需要一定的时间,并且是非弹
22、性的,因而消耗一定的能量。间,并且是非弹性的,因而消耗一定的能量。三、介质的极化三、介质的极化1.1.介质极化种类介质极化种类:电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等2.2.极化基本形式:极化基本形式:第一种是位移式极化。是一种弹性的、瞬时完成的极化,不消耗能量。第一种是位移式极化。是一种弹性的、瞬时完成的极化,不消耗能量。电子位移极化、离子位移极化属这种情况电子位移极化、离子位移极化属这种情况电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型2627四、位移极化四、位移极化(一)电子位移极
23、化(一)电子位移极化在外电场作用下,由于正电中心和负电在外电场作用下,由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象叫做叫电中心的移动而形成的极化现象叫做叫电子位移极化。子位移极化。位移极化位移极化位移极化主要是由电子的移动造成的。位移极化主要是由电子的移动造成的。外场越强,分子电矩的矢量和越大,极化也越厉害。外场越强,分子电矩的矢量和越大,极化也越厉害。均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷,均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷,非均匀介质极化时,介质的表面及内部均可非均匀介质极化时,介质的表面及内部均可出现极化电荷。出现极化电荷。28一个质量为一个质量为m,带电为,带电为-e的粒子,为一带的粒
24、子,为一带正电正电+e的中心所束缚,弹性恢复力为的中心所束缚,弹性恢复力为-kx。则在电场作用下的运动方程为:则在电场作用下的运动方程为:表示表示x对时间对时间t的二阶导数。的二阶导数。k是弹性恢复系数,是弹性恢复系数,x表示粒子的位移表示粒子的位移1.1.电子位移极化的经典理论电子位移极化的经典理论1)1)电偶极矩电偶极矩 电荷电荷-e e的运动方程的运动方程29电偶极矩电偶极矩 电荷的相对位移电荷的相对位移x x弹性偶极子的弹性偶极子的固有振动频率固有振动频率30静态极化率静态极化率令令00,得静态极化率,得静态极化率2 2)极化率)极化率 电子极化率依赖于频率电子极化率依赖于频率31 电
25、荷电荷(-e)(-e)环绕以电荷环绕以电荷+q+q为圆为圆心的圆周轨道运行。垂直于轨道心的圆周轨道运行。垂直于轨道平面的电场平面的电场E Elocloc使使+q q沿轴线从轨沿轴线从轨道中心移至道中心移至MM点,则原子感生偶点,则原子感生偶极矩为极矩为=eded,d d=OMOM。3 3)玻尔原子模型估算)玻尔原子模型估算 e e32核与电子吸引力核与电子吸引力e e2 2/4/4 0 0R R2 2和和F FR R之间平衡之间平衡而形成稳定的轨道,因此有而形成稳定的轨道,因此有根据三角形几何关系根据三角形几何关系:F FR R为沿轨道运行的电子的离心力为沿轨道运行的电子的离心力33电偶极矩电
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