1、電學性能： 電導性能 介電性能l電介質：電介質：l在電場作用下，能建立在電場作用下，能建立極化極化的一切物質。通常是指電的一切物質。通常是指電阻率大于阻率大于1010 cm的一類在電場中以感應而并非傳導的一類在電場中以感應而并非傳導的方式呈現其電學性能的物質。的方式呈現其電學性能的物質。l陶瓷電介質的主要應用：陶瓷電介質的主要應用：電子電路中的電容元件、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：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、鐵電效應、熱釋電效應等特殊功能的具有壓電效應、鐵電效應、熱釋電效應等特殊功能的電介質材料在電聲、電光等技術領域有著廣

2、泛的應用電介質材料在電聲、電光等技術領域有著廣泛的應用前景。前景。l電介質的主要性能：電介質的主要性能：介電常數、介電損耗因子、介介電常數、介電損耗因子、介電強度。電強度。l目前的發展方向：目前的發展方向：新型器件的研制、提高使用頻率新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴大環境條件范圍，特別是溫度范圍。范圍、擴大環境條件范圍，特別是溫度范圍。l電介質主要包括：l1）絕緣體：絕緣，建立電場，防腐蝕，防輻射；l2）許多半導體：高純硅和鍺，摻雜半導體（有損耗）；l3）高頻下的金屬薄膜：高損耗。l對陶瓷而言，電介質陶瓷可包括：l1）電絕緣瓷（裝置瓷）：主要起固定、支撐、絕緣、保護等作用。l2）電容器瓷：

3、廣泛應用于家電、通信、工業儀表等領域；如電子電路中的電容元件、諧振器等。l3）壓電陶瓷、鐵電陶瓷、熱釋電陶瓷等：在電聲、電光等技術領域有著廣泛的應用前景。l1）介電常數l2）介電強度l3）損耗因數l4）體電阻率與表面電阻率l 有機塑料有機塑料: 便宜、易制成更精確的尺寸；便宜、易制成更精確的尺寸；l 無機材料無機材料:l具有優良的電性能具有優良的電性能;l室溫時在應力作用下，無蠕變或形變室溫時在應力作用下，無蠕變或形變;l有較大的抵抗環境變化能力（特別是在高溫下，有較大的抵抗環境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會氧化、氣化或分解）塑料常會氧化、氣化或分解）;l能夠與金屬進行氣密封接而成為電子器

4、件不可能夠與金屬進行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。缺少的部分。一、極化現象及其物理量一、極化現象及其物理量 1 1、極化、極化 定義一（宏觀）：定義一（宏觀）：在外電場作用下，介質表面在外電場作用下，介質表面產生束縛電荷（極化電荷）的現象稱為電介質產生束縛電荷（極化電荷）的現象稱為電介質的極化。的極化。 定義二（微觀）：定義二（微觀）：在外電場作用下，介質內在外電場作用下，介質內質點質點( (原子、分子、離子原子、分子、離子) )正負電荷重心分離，正負電荷重心分離，從而轉變成偶極子的現象。從而轉變成偶極子的現象。 偶極子偶極子：由大小相等、符號相反、彼此相距為：由大小相等、符號相反、彼

5、此相距為l l的兩電的兩電荷荷(+(+q q、-q-q) )所組成的系統。為正負偶極總稱。其極性大所組成的系統。為正負偶極總稱。其極性大小和方向常用偶極矩來表示小和方向常用偶極矩來表示lq 單位：單位：德拜德拜(D或庫侖或庫侖.米米)。1D表示單位正、負電荷表示單位正、負電荷間距為間距為0.210-8 cm時的偶極矩。時的偶極矩。 電偶極矩的方向電偶極矩的方向：負電荷指向正電荷。電偶極矩的：負電荷指向正電荷。電偶極矩的方向方向與外電場的方向一致與外電場的方向一致。真空真空+E+自由電荷自由電荷+偶極子偶極子束縛電荷束縛電荷具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現象具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現象

6、極化現象極化現象 介質的極化介質的極化l電極化電極化：在外電場作用下，介質內的質點（原：在外電場作用下，介質內的質點（原子、分子、離子）正負電荷重心的分離，使其子、分子、離子）正負電荷重心的分離，使其轉變成偶極子的過程。轉變成偶極子的過程。l或在外電場作用下，正、負電荷盡管可以逆向或在外電場作用下，正、負電荷盡管可以逆向移動，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電移動，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產生微觀尺度的相對位移并使其轉變流，只能產生微觀尺度的相對位移并使其轉變成偶極子的過程。成偶極子的過程。l偶極子偶極子：構成質點的正負電荷沿電場方向在有：構成質點的正負電荷沿電場方向在有限范

7、圍內短程移動，形成一個偶極子。限范圍內短程移動，形成一個偶極子。以平板電容器為例。以平板電容器為例。真空中，電容器電容真空中，電容器電容C0為：為：加入電介質后，電容為：加入電介質后，電容為：00dAC rQQCC0000：真空介電常數8.8510-12F.m-1：介質的介電常數r：相對介電常數dAC 故有：故有：極化率：單位電場強度下，質點電偶極矩的大極化率：單位電場強度下，質點電偶極矩的大小稱為質點的極化率，用小稱為質點的極化率，用表示。表示。locEa( (法法. .米米2 2) ) 局部電場局部電場Eloc ：作用在微觀質點上的局部電場。：作用在微觀質點上的局部電場。：反映材料的極化能

8、力，與材料性質有關。反映材料的極化能力，與材料性質有關。極化強度極化強度：單位體積內的電偶極矩總和稱為：單位體積內的電偶極矩總和稱為極化強度，用極化強度，用P P表示。表示。或束縛電荷的面密度。或束縛電荷的面密度。VP( (庫庫. .米米-2-2) ) 單位與電荷面密度單位相同。單位與電荷面密度單位相同。對平板電容器內的對平板電容器內的均勻介質均勻介質，其極化強度等，其極化強度等于極化產生的于極化產生的束縛電荷面密度束縛電荷面密度。介質單位體積中的極化質點數為介質單位體積中的極化質點數為n n，由于每由于每一偶極子的電偶極矩具有同一方向，則：一偶極子的電偶極矩具有同一方向，則：nPP與宏觀平均

9、電場與宏觀平均電場E E成正比成正比EP0電介質極化系數電介質極化系數一、一、是外加電場；是外加電場；二、二、是構成物體的所有質點電荷的電場之和是構成物體的所有質點電荷的電場之和 1EEE外321EEEEEloc外0 33120EPEPEEloc031 二、克勞修斯二、克勞修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程外加電場外加電場E外外E1 外外加電場加電場E外外(物體外部固定電荷所產生。物體外部固定電荷所產生。 即極板上的所有電荷所產生）即極板上的所有電荷所產生） 構成物體的所有質點電荷的電場之和構成物體的所有質點電荷的電場之和E1 （退極化電場，即由材料表面感應的電荷所產生）退極化電場，即由材料表面感應的

10、電荷所產生） E宏宏=E外外+E11 . 宏觀電場：宏觀電場：+2 . 原子位置上的局部電場原子位置上的局部電場Eloc （有效電場）有效電場） Eloc=E外外+E1+E2+E3+ + + + + + + + + + +E外外E1E2E3對于氣體質點，其質點對于氣體質點，其質點間的相互作用可以忽略，間的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同。局部電場與外電場相同。對于固體介質，周圍介對于固體介質，周圍介質的極化作用對作用于質的極化作用對作用于特定質點上的局部電場特定質點上的局部電場有影響有影響。作用于介質中質點的內電場作用于介質中質點的內電場周圍介質的極化作用對作用周圍介質的極化作用對作用于

11、特定質點上的電場貢獻。于特定質點上的電場貢獻。球外介質的作用電場：設想把假想的球挖空，使球外球外介質的作用電場：設想把假想的球挖空，使球外的介質作用歸結為空球表面極化電荷作用場（洛倫茲的介質作用歸結為空球表面極化電荷作用場（洛倫茲場場） E2和整個介質外邊界表面極化電荷作用場和整個介質外邊界表面極化電荷作用場E1之和。之和。對于平板其值為束縛電荷在無介質存在時形成的電場：對于平板其值為束縛電荷在無介質存在時形成的電場：由由 P= Q1 /A= oE1得：得： E1 = P / o E1的計算：的計算：假想假想：有一個特定質點被一個足夠大的球體所包圍，球：有一個特定質點被一個足夠大的球體所包圍，

12、球外的電介質可看成連續的介質，同時，球半徑比整個介外的電介質可看成連續的介質，同時，球半徑比整個介質小得多。質小得多。介質中的其它偶極子對特定質點的電場貢獻分為兩部分：介質中的其它偶極子對特定質點的電場貢獻分為兩部分： 球外介質的作用球外介質的作用E1 E2和球內介質的作用和球內介質的作用E3洛倫茲場洛倫茲場E2的計算：的計算：rO+Pd rsin 空腔空腔表面上的電荷密度：表面上的電荷密度： P cos 綠環所對應的微小環球面的表面積綠環所對應的微小環球面的表面積dS: dS=2 rsin rd dS面上的電荷為：面上的電荷為： dq= P cos dS l根據庫侖定律：根據庫侖定律：dS面

13、上的電荷作用在球心單位正電面上的電荷作用在球心單位正電荷上的荷上的P方向分力方向分力dF：l dF= （Pcos dS/4o r2 ) cos l由由 qE=F 1E=F E=FldE= Pcos2 dS/4o r2 l = (2 rsin d )(Pcos2 /4o r2 )l =Pcos2 sin /2 o r2 d l整個空心球面上的電荷在整個空心球面上的電荷在O點產生的電場為：點產生的電場為：l dE由由0到到 的積分的積分l洛倫茲場洛倫茲場E2 ： l E2 = P /3 olE3為只考慮質點附近偶極子的影響，其為只考慮質點附近偶極子的影響，其值由值由晶體結構晶體結構決定，已證明，球

14、體中具決定，已證明，球體中具有立方對稱的參考點位置，如果所有原有立方對稱的參考點位置，如果所有原子都可以用平行的點型偶極子來代替，子都可以用平行的點型偶極子來代替，則則E3 =0。l Eloc=E外外+E1+P /3 o=E+P /3 ol根據根據 D= o E+Pl得得 P =D o E=（ 1 o ） El = o （ r 1） El由由 Eloc=E外外+E1+P /3 o=E+P /3 ol =E+ o （ r 1） /3 ol得得 Eloc=（ r +2）E/3l設介質單位體積中的極化質點數等于設介質單位體積中的極化質點數等于n，則又，則又有有 l P= n =n Eloc l得得

15、（ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ）l 上式為克勞修斯上式為克勞修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程nrr03121其意義其意義是表征極化特性的宏觀參數是表征極化特性的宏觀參數-介電常數與微介電常數與微觀參數觀參數-分子極化率分子極化率聯系起來，同時提供了計算聯系起來，同時提供了計算介電性能參數的方法。介電性能參數的方法。 對具有兩對具有兩 種以上極化質點的介質，上式變為：種以上極化質點的介質，上式變為：kkkrrn03121l第一種，位移極化：第一種，位移極化： 位移式極化位移式極化-彈彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。l第二種，松弛極化：該極

16、化與熱運動有第二種，松弛極化：該極化與熱運動有關，其完成需要一定的時間，且是非彈關，其完成需要一定的時間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。性的，需要消耗一定的能量。1. 彈性位移極化（電子、離子位移極化）彈性位移極化（電子、離子位移極化）2. 松馳極化（電子、離子松馳極化）松馳極化（電子、離子松馳極化）3. 偶極子轉向極化偶極子轉向極化4. 空間電荷極化空間電荷極化5. 自發極化自發極化6. 高介晶體的極化高介晶體的極化電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發生位移形成的極化。的電子云相對于原子核發生位移形成的極化。形成極化所需時間極

17、短，約為形成極化所需時間極短，約為1010-15-15，故其，故其r r不隨頻不隨頻率變化；率變化；具有彈性，當外電場去掉時，作用中心又馬上會重合具有彈性，當外電場去掉時，作用中心又馬上會重合而整個呈現非極性，故電子式極化沒有能量損耗；而整個呈現非極性，故電子式極化沒有能量損耗；溫度對電子式極化影響不大。溫度對電子式極化影響不大。 研究電子位移極化，關鍵是計研究電子位移極化，關鍵是計算電子極化率，一般有如下兩算電子極化率，一般有如下兩種模型種模型：帶電粒子間的彈性模型。帶電粒子間的彈性模型。 圓周軌道模型圓周軌道模型( (玻爾模型玻爾模型) )。+e-e22021meekemee2202動態動

18、態靜態靜態建立牛頓方程：建立牛頓方程： ma= -kx - eEoe i t電偶極矩：電偶極矩： = -ex= Eoe i t1/(k/m)o2 2e2/m 彈性振子的固有頻率彈性振子的固有頻率 ： o=(k/m)1/2有：有： = e Eloc 得：得：304ReR形成極化所需時間極短，約為形成極化所需時間極短，約為1010-13-13，故在一，故在一般的頻率范圍內，可以認為般的頻率范圍內，可以認為rr與頻率無關；與頻率無關；屬彈性極化，幾乎沒有能量損耗；屬彈性極化，幾乎沒有能量損耗； 溫度對離子式極化的影響，存在兩個相反的因溫度對離子式極化的影響，存在兩個相反的因素素 ：溫度升高時：溫度升

19、高時離子間的結合力離子間的結合力降低，使極化降低，使極化程度增加，但程度增加，但離子的密度離子的密度隨溫度升高而減小，隨溫度升高而減小，使極化程度降低。使極化程度降低。離子位移極化模型離子位移極化模型感生的電偶極矩為：感生的電偶極矩為： =q(+ -) = iElocl正離子受到的彈性恢復力：正離子受到的彈性恢復力：-k(+ -)l負離子受到的彈性恢復力：負離子受到的彈性恢復力： -k(- +)l運動方程：運動方程：l M+a= - k（+ -)+qEoe i tl M-a=- k(- +) +qEoe i tl得：得： M*=M+M-/(M+M-)l彈性振子的固有頻率彈性振子的固有頻率 ：

20、o=(k/M*)1/2l離子位移極化率：離子位移極化率： e =1/( o2 2)q2/M* l 0 靜態極化率：靜態極化率： i =q2/M* o2= q2 k相對運動約化質量（折合質量）相對運動約化質量（折合質量）MMMMM22021eMqkqMqi2202靜態靜態動態動態彈性恢復力常數彈性恢復力常數k松弛極化的特點：松弛極化的特點：1.1. 松弛極化與質點的熱運動有關；松弛極化與質點的熱運動有關；2.2. 質點移動的距離可與分子大小相比擬，甚質點移動的距離可與分子大小相比擬，甚至更大；至更大；3.3. 極化建立的時間較長，達極化建立的時間較長，達1010-2-21010-9-9；4.4.

21、 極化需要吸收一定的能量。極化需要吸收一定的能量。比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。一種非可逆過程。離子松弛極化離子松弛極化電子松弛極化電子松弛極化偶極子松弛極化偶極子松弛極化kTqT1222熱松弛極化率熱松弛極化率:極化是非彈性的，消耗的電場能在復原時不可能極化是非彈性的，消耗的電場能在復原時不可能收回。收回。 形成極化所需時間較長，約為形成極化所需時間較長，約為1010-10-101010-2-2，故，故其其r r與電源頻率有較大的關系，頻率

22、很高時，與電源頻率有較大的關系，頻率很高時，偶極子來不及轉動，因而其偶極子來不及轉動，因而其r r減小。減小。 溫度對極性介質的溫度對極性介質的r r有很大的影響。有很大的影響。轉向極化主要發生在極性分子介質中。轉向極化主要發生在極性分子介質中。根據經典統計，求得極性分子的轉向根據經典統計，求得極性分子的轉向極化率：極化率：kTor320在電場的作用下不均勻介質內部的正負在電場的作用下不均勻介質內部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起瓷體內間隙離子分別向負、正極移動，引起瓷體內各點離子密度變化，即出現偶極矩的極化各點離子密度變化，即出現偶極矩的極化。空間電荷極化：空間電荷極化：在不均勻介質中

23、，如介質中存在晶界、相界、晶格畸在不均勻介質中，如介質中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質、氣泡等缺陷區，都可成為自由電子運動的變、雜質、氣泡等缺陷區，都可成為自由電子運動的障礙；障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。為高壓式極化。-+-+-+外電場外電場P其時間約為幾秒鐘到數十分鐘，甚至數十余其時間約為幾秒鐘到數十分鐘，甚至數十余小時。小時。 屬非彈性極化，有能量損耗。屬非彈性極化，有能量損耗。 隨溫度的升高而下降隨溫度的升高而下降，只在直流和低頻下發只在直流和低頻下發生。生。兩相的介電常數分別為兩相的介電常數分別為 1和和 2 ，濃度分別為，濃度分別為 1和和 2( 1+ 2=1)。當兩相并聯時：當兩相并聯時：當兩相串聯時：當兩相串聯時：當兩相混合時：當兩相混合時：2211xx1221111xx2211lnlnlnxx1)1) 主要是電子位移極化的電介質，包括金紅石瓷、主要是電子位移極化的電介質，包括金紅石瓷