電介質物理學ThePhysicsofDielectrics鐘朝位2021/5/911.概述2.恒定電場中電介質的極化3.交變電場中電介質的損耗4.電介質的電導5.強電場下電介質的擊穿

2021/5/92概述1.電介質物理的發展2.電介質與導體的區別3.電介質的定義4.電介質的分類5.電介質的應用2021/5/93

19世紀開始對電介質電特性研究

20世紀初電氣設備采用天然材料

20世紀中出現了合成高分子材料現代由于電子科學技術發展，對介質材料提出了更高要求，介質材料不僅包括絕緣電介質，而且包括各種電子功能材料。1.電介質物理的發展2021/5/94BaTiO3PZT電容器介質換能器器光開關2021/5/95濕敏材料氣敏材料光敏材料壓敏材料熱敏材料2021/5/96

電子設備向小型化輕量化多功能化發展,科學技術發展，對介質材料提出了更高要求，具體體現在:小型化:2021/5/97輕量化:2021/5/98高頻化:2021/5/99低成本化:內電極端電極

端電極內電極內電極內電極引出端內電極引出端

電介質

PdAg-NiCu2021/5/910２３４５６７８９隱蔽式報警雷達飛機駕駛倉中的盒式存儲器電子對抗指揮系統接收機反潛艇系統中存儲器主任務（指揮飛機和戰斗）存儲器任務數據記錄儀導彈中的存儲器外存儲器固態飛行記錄儀１抗電磁干擾化:2021/5/911

目前在計算機系統中普通使用的半導體隨機存儲器有兩個主要缺點：

1.所存儲的信息必須在通電時才能保持，一旦掉電，所有信息便會消失；2.抗電磁干擾能力弱，對射線輻射非常敏感，這對空間和軍事應用十分不利。

2021/5/9122021/5/913

典型的鐵電存儲器能經受大于5Mrad·cm-2的高能X射線和強度為1011rad·cm-2·S-1的X射線輻射或者能量為1Mev的1014cm-2的中子流輻射，性能極少退化。

鐵電存儲器能夠承受無論總的積分輻射劑量還是輻射劑量率都很高的X射線以及荷電離子的粒子流和電子束流的輻照。

2021/5/914

電介質物理學科是在20世紀20年代至30年代形成的。

標志性事件:電氣及電子工程師學會(IEEE)在1920年開始召開國際絕緣介質會議,此后又建立了相應的分會(IEEEDielectricandElectricalInsulationSociety)。美國建立了以Hippel教授為首的絕緣研究室。前蘇聯列寧格勒工學院開設了電氣絕緣與電纜技術專業,莫斯科工學院開設了電介質與半導體專業。2021/5/915

德國德拜（Debye)教授在20世紀30年代由于在電介質極化、損耗與其分子結構關系方面的杰出研究而獲得了諾貝爾獎,奠定了電介質物理學科的基礎。隨著電氣和電子工程的發展，形成了研究電介質極化、損耗、電導、擊穿為中心內容的電介質物理學科。

2021/5/916

我國電介質領域的發展是在1952年第一個五年計劃制定。陳季丹先生是我國電介質物理學教學的先驅和奠基人。1955年他在上海交通大學首先開設了電介質物理課程,隨后，西安交通大學、電子科技大學、山東大學、中山大學、四川大學、南京大學、同濟大學、中科院物理所、中科院硅酸鹽所等對我國電介質物理學的發展作出了重要的貢獻，為我國培養了大量的絕緣電介質專業人才，促進了我國工程電介質的發展。

中國物理學會電介質物理專業委員會委員和中國電工技術學會工程電介質專業委員會是本領域最重要的兩個學術機構。2021/5/9171).物質本身的結構區別

2.電介質與導體的區別＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋金屬金屬導體具有帶負電的自由電子和帶正電的晶體點陣,這是金屬導體在電結構方面的重要特征,例如銅約為8×1022cm-3導體:2021/5/918＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋這些大量的自由電子，在導體處于一種什么樣的狀態呢？

當導體未帶電或未受到外電場作用時:這些自由電子在金屬導體內作無規則熱運動,使得其內部的自由電子負電荷與晶格離子正電荷,平均說來，在空間上是等量分布的，因此導體的任何部分都呈電中性。2021/5/919如果將金屬導體放在外電場中，會出現什么情況呢？＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋在外電場作用下中，金屬導體中的自由電子將沿外電場反向作定向運動，這樣自由電子是必在導體的一端堆積起來,使導體的一端因多余電子而帶負電，而另一端因缺少電子而帶正電.2021/5/920介質：構成介質的分子在結構方面的特征是電子與原子核之間有很大的庫侖力,這種庫侖力使電子被原子核束縛著，處于束縛狀態的電子（非有自由電子）,在外電場的作用下電子只能相對于核作微小的位移.

電介質是以感應而非傳導的方式來傳遞電的作用和影響.2021/5/921導體：內部電場為0，電場終于導體表面并與表面垂直若施以外電場E0自由電子定向漂移電荷重新分布導體兩端出現等量異號電荷稱為靜電感應靜電感應所產生的感生電荷產生一個附加電場EE導體內合電場為+EE0EE++++++++++E0EE2).電場特性方面的區別2021/5/922++++++++++E0EEE0導體內合電場為+EE0EE當E0EE時自由電子停止定向漂移自由電子不斷漂移附加電場不斷增大靜電平衡+EE0EE0導體達到導體內合電場2021/5/923電介質：內部存在電場，有介質的電場總是小于真空時的電場平板電容器中的電場:條件：極板之間距離（d）≤極板的線度（L）,保證電場均勻，否則畸變。

高斯定律:在任何靜電場中,通過任一閉合面的電通量等于這個閉合面所包圍的自由電荷的代數和.2021/5/924設：電荷的面密度為+

，使平板與圓柱形相交，圓柱形底面積為S1，側面為F，求帶電荷產生的電場強度。應用高斯定律高斯定律:在任何靜電場中,通過任一閉合面的電通量等于這個閉合面所包圍的自由電荷的代數和.2021/5/925

按場強的疊加原理：在任一點的場強E，是每一平板各自所產生場強EA和EB的矢量和。

平板電容器中所引起的任一點處的電場，與它從這點到兩平板的距離無關。2021/5/926若為真空：

說明：有介質的電場總是小于真空時的電場，∵介質極化的結果相對介電系數>1。

平板電容器介質中的電場:

均勻介質——介質在遠離擊穿電場作用下，介質用一個基本參數就能表示的（

,）不均勻介質——不能用一個參數表示（1，2）2021/5/927

應用媒質分界處的電力線的折射定律：通過第一個圓柱底面積的位移通量Dn1S1，通過第二個圓柱底面積的位移通量Dn2S2，因為分界面上沒有自由電荷，所以總位移通量等于0.由此可得：

換為電場強度：

2021/5/928說明：在不均勻介質中電場強度與介電系數成反比。通過界面的電位移相等，連續的通過介質其大小、方向都不變。2021/5/9293).能帶結構上的區別（a）電介質（b）半導體（c）導體E價帶導帶Eg禁帶Eg:3.5~8eVEg:0.7~3.5eV電介質：能級的基態被占滿，基態與第一激發態間的禁帶很寬，以至電子從正常態激發到導帶所需的能量，足以使電介質受到破壞。2021/5/930導體：屬于電子電導——電子半導體：滿帶中的電子在光、熱作用下激發到導帶上去，出現了自由電子和空穴——自由電子、空穴絕緣體（介質）：屬離子性電導——正、負離子。4).載流子種類的區別2021/5/9315)．體積電阻率的區別導體電阻率：10-6～10-3

·cm

半導體電阻率：10-3～108

·cm絕緣體電阻率：109～1022

·cm

2021/5/9326).電阻率與溫度關系的區別2021/5/9333.電介質的定義法拉第定義:能被電力線所直通或橫貫地作用著的那種物質稱為電介質國際電工委員會定義:電介質是一種物質,它的能級圖中基態被占滿,基態與第一激發態之間被這樣寬的禁帶隔開,以致電子從正常態激發到相對于導帶的態所必需的能量,大到可使電介質受到破壞蘇聯科學院定義:電介質是這樣一種物質,在電場作用下具有極化能力,并在其中能長期存在電場為其主要特性的物質中國定義:以在電場作用下具有極化能力,且能在其中長期地存在電場為其主要性能的物質叫電介質2021/5/934材料

介電常數ε

空氣（或真空）1.0水80.4陶瓷金剛石5.5～6.6Al2O3(多晶體)≈9.0SiO23.7～3.8TiO2110NaCl5.9BaTiO3

3000

部分材料的介電常數

2021/5/935材料介電常數ε云母5.4～8.7派熱克斯玻璃4.0～6.0滑石（2SiO2·MgO）5.5～7.5鎂橄欖石（2MgO·SiO2）6.2堇青石（2MgO·Al2O3·5SiO2）4.5～5.4聚合物酚醛樹脂（電木）5.0硅橡膠2.8環氧樹脂3.5

部分材料的介電常數

2021/5/936材料介電常數ε尼龍6,64.0聚碳酸酯3.0聚苯乙烯2.5高密度聚乙烯2.3聚四氟乙烯2.0聚氯乙烯3.2

部分材料的介電常數

2021/5/937電介質的分類可以按凝固狀態、組成特性、電荷分布特性以及P-E來分：1）按凝固狀態可分：氣體電介質：真空、充氣（氮、氬、氟里昂）液體電介質：礦物油、蘇伏油、蓖麻油固體電介質：樹脂漆、塑料、云母、石英、陶瓷等2）按組成特性分：有機電介質(礦物油,紙,高分子聚合物)無機電介質(玻璃,陶瓷等)3）據電荷的分布特性①非極性（中性）電介質：分子內部的正負電荷重心重合，電偶極矩

=0

4.電介質的分類2021/5/938如單原子分子（He,Ne,Ar,Kr,Xe），相同原子組成的雙原子（H2,N2,Cl2）對稱結構的多原子分子（CO2，C6H6(苯)CCl4等）②極性電介質：其分子的正負電荷中心不重合，分子具有偶極矩,按偶極矩的大小分：

0.5德拜的弱極性介質

>1.5德拜為強極性介質0.5<

<1.5德拜為中極性介質③離子式電介質：是由正、負離子構成，具有較大的偶極矩，由于離子之間的靜電聯系很強，具有很高的機械強度，此時沒有個別的分子，存在于介質的是離子了。2021/5/9394)按極化強度與電場強度的關系P-E為線性介質（位移極化）P-E為非線性介質——自發極化的高介鐵電等線性介質非線性介質2021/5/9405)按形態來分塊狀，膜狀，一維零維2021/5/941電介質早期的應用僅作為分隔電流的絕緣材料，隨著科學技術的發展，電介質已遠不足僅作為絕緣材料來應用了。

“上天下地離不開由介質”，除絕緣外儲能元件極化特性電容器介質換能元件壓電特性壓電點火傳感元件熱電、熱釋電特性夜視儀等光倍頻元件非線性光學特性激光調制上其折射率可以通過外加電場而靈敏場改變人體生命駐極體用于外科接骨手術，它可以幫助折骨的愈合和生長，電介質的研究，存在促進生命科學的發展，人們發現樹木、骨骼、筋、等都有壓電效應，據說人體的尾椎骨形成一對偶極子。5.電介質的應用2021/5/942《電介質物理學》殷之文科學出版社出版《電介質理論》李景德等科學出版社出版《電介質物理基礎》孫目珍華南理工大學出版社《電介質物理》姚喜西安交通大學出版社《電介質理論基礎》孟中巖國防工業出版社《電介質物理學》陳季丹機械工業出版《電介質物理學》金維芳機械工業出版參考資料:2021/5/943第一章恒定電場中電介質的極化§1.1介電系數與介質極化一、介電系數在靜電學中引入電介質介電系數的物理概念是從庫侖定律開始的。1．庫侖定律定義為：兩個固定距離的點電荷在真空中和在介質中相互作用力的比值。

在真空中：2021/5/944f0/f＝由于

＞1,

f0＞f，

表示介質對點電荷之間作用力的影響程度。在介質中：

2021/5/9452．也可用電容量變化來定義介電系數真空

有：C/C0＝

表示有介質時的電容量比真空時的電容量增大的倍數。2021/5/9463.實驗條件：1.兩極板間尺寸不變；

2.保持Q不變（恒流源）真空實驗發現：

0＞1

f0＞f1由于：f＝QE有：E0＞E1而：V＝E·d則：V0＞V1.2021/5/947引入

來表示V變化的程度,為了說明介質的影響

。

V1為什么會變小?2021/5/948二、介質的極化以平板電容器為例：E2021/5/9492021/5/9502021/5/951極化宏觀定義：置于電場中的電介質，在介質內部沿電場方向產生偶極矩，在介質表面產生束縛電荷的現象稱為電介質的極化.由高斯定理，求得兩極板間為真空時的電場：則有：則有：

為大于1的純數，大小與關系密切。2021/5/952對幾種介質的情況如下：（1）非極性介質的極化a.E=0時：分子正負電荷中心重合,分子偶極矩等于零。b.E

0時：由于分子內的正負電荷彼此強烈地束縛著，圍繞原子核的電子云相對原子核發生彈性位移而形成偶極矩，由于該偶極矩是在外電場作用下感應產生的，隨著外電場的移去而消失，故稱為感應偶極矩。方向：從負

正2021/5/953非極性介質2021/5/954非極性電介質的極化于是，在電介質內部形成沿電場方向的感應偶極矩，極化了的介質可以看作是大量電偶極子的集合，在電介質表面上，出現極化電荷。與極板上的自由電荷相比，極化電荷不能自由移動，故又稱為束縛電荷，且極性相反。極化電荷極化電荷2021/5/955

(2)極性電介質的極化a)無外電場b)電場作用下有外場時電偶極子在外場作用下發生轉向，使電偶極矩方向趨近于與外場一致所致。由于分子的無規則熱運動，這種轉向只能是部分的，遵守統計規律。在沒有外電場時，有極分子正負電荷中心不重合，分子存在固有電偶極矩。但介質中的電偶極子排列雜亂,宏觀不顯極性。+++++++2021/5/956極性介質由于分子的無規則熱運動，這種轉向只能是部分的，遵守統計規律。2021/5/957E=0E

0，正、負離子之間發生了相對位移，相當于偶極子型，則偶極矩：

（3）離子型介質的極化2021/5/958在非均勻介質中，雜質容易離解，或多或少存在自由離子，因而形成空間電荷極化，（4）非均勻介質極化2021/5/959極化的微觀定義：

在外電場作用下，正電荷沿電場方向移動，負電荷反電場運動，但是它們并不能離開電介質形成電流，只能產生微觀尺度的相對位移出現偶極矩的現象。2021/5/9602021/5/9612021/5/9623.柱形電容器柱形設單位長度帶電量為在兩極板之間2021/5/963電容器電容的計算設2021/5/964§1.2介質極化的宏觀與微觀之間的關系介質極化的結果：在電介質內部沿電場方向出現偶極矩，在電介質表面出現束縛電荷。微觀：分子偶極矩宏觀：束縛電荷介質極化與電場關系：極化是隨電場而變的，電場越強，沿電場方向的取向的偶極矩愈多，或者說電極化的程度愈強。2021/5/965極化強度定義：單位體積內感應偶極矩的矢量和，

式中N——單位體積中的分子數。極化強度與表面束縛電荷關系：

Pn——極化強度在

S面法線方向的分量。單位：[庫侖/米2]電介質表面極化電荷的面密度2021/5/966極化強度與表面束縛電荷的關系

在

V體積范圍內，E可以認為是一恒量。設兩底面上出現的束縛電荷面密度分別為+和－

，則圓柱體的偶極矩等于一個底面積上的電荷

S與負電荷度面到正電荷底面的距離矢量L的乘積。而從極化強度的定義來看，圓柱體的偶極矩等于極化強度P與圓柱體體積V的乘積。兩者表示同一客體，應當相等，即

2021/5/967由于Pn——極化強度在

S面法線方向的分量2021/5/968介質宏觀參數與微觀參數關系：

克勞修斯方程2021/5/969要提高電介質的介電系數采用三個途徑：

N↑增加分子數

↑選擇極化率大的

Ei↑增大內電場

例如：選金紅石，TiO2：

大，Ei大

CaTiO3：

大，Ei大

所以

=100-200

因為Ti4+,O2-具有高的極化率

,和大的內電場Ei大。

2021/5/970§1.3有效內電場（Ei）

從克勞休斯方程

要由電介質的微觀參數（N、

）求得宏觀參數——介電常數

，必須先求得電介質的有效電場Ei。2021/5/971

電介質中的有效電場Ei,，是指實際作用在分子上的電場,即極板上的自由電荷以及除某極化分子以外其它極化分子形成的偶極矩共同在該分子產生的場強。

2021/5/972模型要求：在被研究的極化粒子A處，以A為中心假想劃出一個球，一方面球的半徑比研究粒子間的間距大的多，（這樣，球外的區域可視為介電常數為的連續介質）；另一方面球的半徑從宏觀角度看應是足夠的小，（以保證球內外電場的恒定）.r+++++-----E2E1A

E洛侖茲（Lorentz）有效電場計算模型2021/5/973式中：E——外加宏觀電場強度E1——球外連續介質在球心O點產生的電場場強；E2——球內除考察分子外，其他所有極化分子作用產生的電場場強。

電場強度E1，球腔表面上束縛電荷在O點產生的電場2021/5/9742021/5/975球腔表面束縛電荷作用的電場E1計算

2021/5/976內球極化分子作用的電場E2的計算

由于球內其他極化分子是緊靠著被研究的分子，因此不能把球內介質看作是連續的而用宏觀的方法處理，只能根據介質的物理結構而定。2021/5/977E2=0具體應用范圍：1.非極性電介質2.

極性氣體介質

3.立方對稱結構的離子晶體：a=b=c，===90o2021/5/978a=b=c，===90o，E2=0具有立方點陣結構的離子晶體，E2＝02021/5/979§1.3克勞修斯-莫索締方程一、方程的推導則有：

——微觀極化——宏觀極化宏觀微觀聯系式2021/5/980（克-莫方程）

2021/5/981二、克-莫方程的應用

1．光頻范圍作用下的介質根據麥克斯韋的電磁場理論，光是頻率極高的電磁波，物質對光的折射率式中，

、——分別為電介質的磁導系數、介電常數除鐵磁物質外，一般電介質的=1，因此

式中

——電介質的光頻相對介電常數。2021/5/9822．氣體介質氣體是各向同性的介質，在壓力不太大的條件下，分子之間的距離很大，相互作用很小，在一般溫度下，分子作布朗運動，使分子在空間各點出現的幾率相等。因此可以認為莫索締內電場適合于氣體介質。洛侖茲-洛侖斯方程Lorentz-Lorenz2021/5/983(1)非極性氣體：

德露德方程（2）極性氣體介質

朗芝萬-德拜方程下頁舉例說明其應用2021/5/984非極性氣體介質：2021/5/985在光頻下麥克斯韋關系式成立，可寫成如極性氣體的介電系數接近等于1，則有

2021/5/9863．非極性和弱極性液體介質

弱極性液體電介質——指分子固有偶極矩在小于0.5德拜（1D=3.33

10-30庫·米）的極性液體電介質。

對于弱極性和非極性液體電介質起主要作用的是電子極化。作用在每個分子上的內電場，由于液體具有流動性，分子出現在空間中每一點的幾率是相等的，故可以認為是莫索締內電場，因此克-莫方程對這類介質仍然適用2021/5/987

這類介質主要指只有電子極化的非極性固體介質，包括:原子晶體（金剛石），不含極性基團的分子晶體（如晶體萘、硫等）、非極性高分子聚合物（如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等）非極性固體介質的介電系數與極化率的關系均符合克-莫方程：E2=0，

1.9-5.7范圍4．非極性固體介質

聚四氟乙烯2021/5/9885．高對稱性的離了晶體因為對稱分布

E2=0，具有電子位移極化e和離子位移極化a，則2021/5/989克-莫方程的適用范圍：非極性電介質：只有電子位移極化極性氣體電介質：高對稱性立方晶格離子或原子晶體克-莫方程不適用于：極性液體介質固體分子間相互作用強的固體電介質。2021/5/990幾種介質用克-莫方程計算出的K值的n2實驗值：

非極性氣體極性蒸氣極性氣體非極性液體非極性固體

氦氫氧甲烷水乙醚氨

CCl4苯聚苯烯聚四氟乙烯K計1.0000741.000271.000551.000751.00141.00541.0076

2.232.272.25~2.292K實

1.0011.0045

n21.000071.000281.000541.00088

1.0088

2.132.252.41.882021/5/991三、介電系數的溫度、頻率、氣壓特性1．非極性介質介電系數與溫度的關系非極性介質只存在電子位移極化，利用洛倫茲-洛侖茨方程2021/5/992令

體積膨脹數2021/5/993體積膨脹系數

3倍線脹系數2．非極性介質介電系數頻率特性只存在快極化，極化時間很快，10-14～10-15秒，與f無關。2021/5/9943．非極性介質介電系數與氣壓關系請同學現在考慮一下?2021/5/995總結電容器儲能實驗電介質極化極化宏觀定義極化微觀定義不同電介質的極化介質極化的宏觀與微觀之間的關系克勞修斯方程有效電場的計算克勞修斯-莫索締方程克勞修斯-莫索締方程的應用2021/5/9961．昂扎杰假設（1936年）（1）把1個極性分子是一個空心球，球半徑為a空心球中心看成一個點偶極子，偶極矩為式中，

0——極性分子的固有偶極矩，eEi——感應偶極矩，并設球處于連續的液體介質中。（2）無外電場時，點偶極子位于空球中心，點偶極子將使周圍的電介質極化產生束縛電荷，這些束縛電荷在空球內建立一個電場R，R又反過來作用于點偶極子。因此R稱為反作用電場。R與偶極矩同相，因此使點偶極子拉長產生極化。（3）空球電場的作用：把點偶極子從液體中拿走，只留下空球。若外加電場為E，則在空球內引起的電場G稱為空球電場。

§1.4昂扎杰有效電場

2021/5/9972021/5/9982021/5/9992.當外加電場為E，點偶極子位于空球中心時，作用于極性分子或點偶極子上的內電場是到此為止面兩個分量之和：(1)求反作用電場R

把拉普拉斯方程的解，偶極矩為

的偶極子的電位，其中和r是極坐標，同時計及邊界條件。1）寫出電位方程：

空球內：（r

a）電位方程：電位＝偶極子電位＋反作用場產生的電位2021/5/9100球外（r

a）相當于一個大偶極矩子的作用。電位2＝束縛電荷產生的偶極矩＋極性分子偶極矩產生的電位A

＝極性分子電矩＋束縛產生，A——常數2）求常數A

在球界面上任何一點電位相等,在界面上電位移是連續的

2021/5/91013．求空球電場G球內(r

a)

球外(r

a)是兩部分影響之和，一部分為空球表面束縛電荷的影響，其值相當于一個電矩為M的點偶極子的作用，一部分是外電場的影響。利用邊界條件:在球界面上任何一點電位相等,在界面上電位移是連續的.2021/5/91022021/5/9103∨2021/5/9104昂扎杰(Onsager)有效電場洛侖茲（Lorentz）有效電場有什么關聯嗎

?作業題5:證明昂扎杰（翁薩格）有效電場也適用于非極性介質。即昂扎杰（翁薩格）有效電場概括了洛侖茲有效電場。2021/5/9105三、昂扎杰方程

極性液體分子在這樣的有效電場中，它的總偶極矩2021/5/9106

現討論弱電場時，極性液體的介電常數

的計算方法:

極性分子的總電矩在外電場E方向的平均電矩利用關系

2021/5/9107翁薩格方程：考慮到2021/5/9108翁薩格方程又可寫成:當n2

1時：

當n2<<

時:

2021/5/9109當

=0，=n2時，翁薩格方程式便轉化為克-莫方程：

對翁薩格理論的簡要討論：1．成功地解決了極性液體介質極化電場的計算問題，所得極化電場G,當極性介質

>>1時），這在物理概念上是合理的。2．利用翁薩格方程計算出的介電常數，不論極化率為怎樣的有限值，都不會出現負值或無限大的不合理的結果。3．由翁薩格方程計算出的某些極性液體的介電常數與實測值比較接近。2021/5/9110昂扎杰法計算的

r值與實測值的比較液體水H2O硝基苯C6H5NO2乙醇C2H5OH丙醇C3H7OH氯仿CHCl3實測值8136.526225.1計算值313010742021/5/9111昂扎杰理論的優點：介電常數不會出現負數或；理論結果與實驗測試結果較吻合；考慮了極性液體分子間距小、相互作用強的特點。昂扎杰理論的缺點：把每個極性分子的周圍均視為連續的介質，實際上是只考慮分子間的遠程相互作用，因此，該理論只適用于極性分子遠程力較大、而近程力較大的液體介質。如水、酒精等適用該理論時誤差就大。2021/5/9112寇克伍德方程

式中，校正系數g與極性分子的近結構有關式中Z-:配位數，即與被研究分子最鄰近的分子數

:被研究分子偶極矩與鄰近分子偶極矩間夾角余弦的平均值。

2021/5/9113

洛侖茲,昂扎杰有效電場計算模型異同?洛侖茲,昂扎杰有效電場的關聯?C-M方程,昂扎杰方程的應用情況小結:2021/5/9114§1.5電子位移極化定義：在外電場作用下，構成原子外圍的電子云相對于原子核發生位移，這種極化稱為電子位移極化（電子極化），其極化率稱為電子位移極化率

e.。在外電場作用下，電子云相對原子核的位移是彈性聯系，其振動頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時間極短，約10-15～10-16s。電偶極子電子位移極化在外電場中2021/5/9115分子熱運動位移極化正負電荷相對位移產生誘導偶極矩2021/5/91161.原子電子云模型-QQdR一個原子可以看作是一個電荷為+Q的正電核和周圍均勻分布、半徑為R、介電常數為0的球狀電子云組成。2021/5/91172021/5/91182.圓周軌道模型

采用玻爾原子模型來計算極化率：一個點電荷——q沿著圍繞核的圓周軌道運行，在電場作用下，軌道沿電場反方向移動距離2021/5/9119

在電場作用下，電荷移動x，當電場力與恢復力相等時達到平衡，此時有:式中K為彈性聯系系數，所產生的感應偶極矩為：

2021/5/9120當x<<r時，

量子力學方法所得氫原子的電子極化率為0.626

10-40法·米2，可見，應用經典物理方法與量子力學方法所得極化率的量級都是10-40法·米2

2021/5/91211.一切介質都有電子位移極化。2.中性介質電子位移極化是唯一的。3.由式看出,R大,電子位移極化率大。

同族元素的電子極化率

周期元素(元素類:0)

e(10-40F·m2)1He0.222Ne0.433Ar1.804Kr2.745Xe4.44電子位移極化的特點2021/5/91224.同周期元素的電子極化率，軌道電子數的增多，

e增大；庫侖力隨電子數增加而增加，軌道半徑有可能變小，使

e變小，結果要看哪個因素占優勢。周期：2元素的種類IVVVIVII元素CNOF

e(10-40F·cm)1.071.070.710.442021/5/91235.離子的電子位移極化率的變化規律與原子大致相同離子半徑大，價電子數多，極化率大離子實測電子極化率

e10-40F?m2原子半徑a10-10m

e/40a3B0.0220.261.14Hg2.211.121.41Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89O3.0691.321.20Zr0.890.871.21Cu2.011.001.812021/5/91246.凡是

e/40r3值大的粒子對極化都有較大貢獻7.電子極化的建立時間極短，約10-14——10-15秒，這就決定了電子極化幾乎是瞬時完成的，不產生能量損耗，所有頻率下電子位移極化都能完成。8.電子極化率

e與溫度是無關的。因為溫度變化不會影響原子或離子的半徑。2021/5/9125§1.6離子位移極化

離子晶體的介電常數值比n2值大的多，如n2

KCl2.134.68TiO27.3110-114CaF21.998.43因此，必然存在電子極化外的其他極化機制。離子位移極化：在外電場作用下，異性離子之間發生相對彈性位移而產生感應偶極矩的現象，稱為離子位移極化(Ionicpolarization)。極化率用

i表示。2021/5/9126離子位移極化存在于離子中，建立或消除的時間很短，與離子在晶格振動周期有相同的數量級，約為10-12-10-13s。2021/5/9127EK=?-q+q如何求離子位移極化率

i？2021/5/9128Ｕ（ｒ）rOa庫侖引力勢能電子云斥力勢能

設ｕ（ｒ）和ｕ（ｒ＋ｒ）分別為正、負離子位移前后的互作用能量。則：如何求K？根據離子對相互作用能變化來求K彈性力做的功2021/5/9129式中ｎ為晶體離子間電子云排斥能指數，可由實驗確定，一般晶體的ｎ值在９～１２之間。2021/5/9130a為離子中心距離2021/5/9131離子中心距離一般可以認為離是正、負離子的半徑之和，則上式為：式中r+、r-——分別為正、負離子的半徑2021/5/9132對于三維的離子晶體,經過類似的運算，可得離子極化率:2021/5/9133離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數量級，均在4

0（10-10）310-40法·米2數量級；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；離子位移極化與離子晶體結構參數有關；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量級，10-12~10-13秒。

離子位移極化特點2021/5/9134§1.7取向極化極性電介質的分子:

在無外電場作用時，就具有一定的固有偶極矩，但由于分子不規則的熱運動，分子在各個方向的分布幾率是相等的。因此，就介質的整體來看，宏觀偶極矩等于零。分子熱運動2021/5/9135在有外電場作用，偶極分子將受到電場力矩的作用而趨于轉向電場方向，由于熱運動這種取向只能是部分的，遵守統計規律。于是就介質整體來看，出現沿電場方向的宏觀偶極矩，這種極化現象稱為取向極化。取向極化2021/5/91362021/5/9137極化建立時間：10-6～10-2秒，為慢極化取向極化在外電場中2021/5/91382021/5/91392021/5/91401.取向極化由于受到分子熱運動的無序化作用，電場的有序化作用及分子間的長程作用，這種極化的建立需要較長的時間，是一種慢極化。2.這種慢極化在頻率不很高的情況下，就可能發生極化跟不上電場的變化，出現介電常數減小，損耗角正切增大。3.由于計算時忽略了分子間的長程作用，只適用于氣體介質，用于固體和液體時誤差大。取向極化特點2021/5/9141§1.8熱離子極化

在由離子構成或含有離子雜質的固體介質內，例如無定形結構的玻璃中，存在著一些Na+、K+、Li+等弱聯系的離子，在晶態固體中也往往存在有一定的缺陷離子。它們處于介質中能階較低的平衡位置，并在平衡位置附近作熱振動。在一定的溫度下，離子的熱振動能超過鄰近分子對它的束縛勢壘時，離子就能越過勢壘而到達新的平衡位置，這種由于熱振動而引起離子的遷移，在無電場時也存在。

沒有外電場時，離子沒有宏觀的定向遷移，因此離子的隨幾分布沒有改變，不呈現宏觀偶極矩。

有外電場時，破壞了電介質中弱聯系離子隨幾的均勻分布，便形成宏觀偶極矩。2021/5/9142熱離子極化的等效極化率為：熱離子極化（離子松弛極化）為慢極化，建立時間約為10-2~10-6秒2021/5/91432021/5/9144求解此微分方程時，初始條件為t=0時開始加上外電場，此時nA=nB=n0/6，可得方程的解為:2021/5/9145熱離子極化的特點:1.與熱運動有關，由于受到分子熱運動的無序化作用，電場的有序化作用，這種極化的建立需要較長的時間，是一種慢極化。2.這種慢極化在頻率不很高的情況下，就可能發生極化跟不上電場的變化，出現介電常數減小，損耗角正切增大。3.熱離子極化的運動與離子電導顯然不同，后者是離子作遠程區域的遷移。2021/5/9146以上所述的四種極化基本形式，相應的極化率分別為電子極化率

e、離子極化率i、轉向極化率d和熱離子極化的等效極化率T，電介質的分子極化率顯然等于各種極化率之和，即不過對于某一具體電介質，往往有一種或兩種極化占主導地位，例如非極性電介質中占主導地位的極化是電子位移極化，離子晶體介質中占主導地位的是電子位移極化和離子位移極化，而較強偶極性介質中占主導地位的是轉向極化。2021/5/9147已知立方晶系NaCl的離子晶體的晶格常數a=2.81x10-10m,該晶體的折射率平方n2為2.25，離子的位移極化率=0.46x10-40F.m2.計算NaCl晶體介電系數。(在a3體積中含有4個NaCl分子,已知真空介電常數=8.85x10-12F/m)2.一平板介質電容器，其極間距離為d=1cm,面積s=10cm2介電常數ε=2，外接1.5v的恒壓電源。求電容器的電容量C，極板上的自由電荷Q，束縛電荷Qˊ，極化強度P。(已知真空介電常數=8.85x10-12F/m)課堂作業:2021/5/9148非均勻介質或存在缺陷的晶體介質，其內部自由電荷在外電場的作用下移動，可能被缺陷所俘獲、堆積造成電荷的局部的積聚，使電荷分布步均勻，從而引起的極化

§1.9空間電荷極化2021/5/9149電場大電場小介電常數小,電導大電場大電場小介電常數大,電導小2021/5/9150§1.10離子晶體電介質（一）低介電常數的離子晶體

介電常數在4-10范圍內。極化主要有電子位移極化，離子位移極化和離子松弛極化。假設作用于離子的內電場等于宏觀平均電場，簡單結構晶體（NaCl)為例，只考慮電子位移極化，離子位移極化，有

e1、e2——分別為正、負離子的電子極化率；

i——離子極化率；N——單位體積的離子對數；E——外施宏觀平均場強。2021/5/91512021/5/9152低溫共燒陶瓷LTCC2021/5/9153美國Brush99BeOCeramicProducts2021/5/9154美國Brush99BeOCeramicProductsSemiconductor/InstrumentationMedicalAutomotiveElectronics99BeOCeramicsAerospaceMilitaryWireless/Telecommunications2021/5/9155

獨聯體99氧化鈹陶瓷典型產品ULBAMetallurgicalPlant

2021/5/9156考慮到得：根據麥克斯韋關系，得離子極化率2021/5/9157根據正、負離子對的固有諧振頻率用實驗方法求解Ｋ值。2021/5/9158式中可由吸收光譜測得，其它參數為已知常數。2021/5/9159玻恩計算離子晶體介電常數的公式：式中N0——阿伏加德羅常數；q——正或負離子電荷量；

——晶體密度；

——晶體剩斜射線波長；M1、M2——正、負離子的原子量。2021/5/9160某些離子晶體的介電常數晶體名稱n2

(

m)玻恩公式計算結果實測結果最小

最大

LiF1.9232.68.19.210.0NaCl2.3361.15.35.606.36KCl2.1770.74.34.514.94AgCl4.0497.08.111.212.6TlCl5.1015011.126.534.7TlBr5.4120211.029.832.7RbCl24.5011410.833.537.0TiO27.303925.81101142021/5/9161玻恩公式計算克-莫方程計算離子晶體介電常數計算NaClKCl5.3

4.3

9.4

7.7

實驗測量5.6～6.4

4.5～4.9

2021/5/9162堿鹵晶體極化模型的修正和補充1.電子云重疊理論2.離子的極化場理論3.離子對的位移場理論4.正、負離子位移時電子云接觸形變理論2021/5/91632021/5/91642021/5/9165低介離子晶體小結:低介離子晶體的極化與應用玻恩公式(Ei=E)玻恩公式與C-M方程(E2=0)計算誤差的比較極化模型的修正2021/5/9166（二）高介電常數的離子晶體大部分離子晶體的介電常數都較低，通常靜態介電常數

s約為5-12。

少數高價離子氧化物的介電常數相當高.例如金紅石晶體（TiO2）的=7.3，s=173鈦酸鈣晶體（CaTiO3）的=5.3，s=150對于這類晶體，利用克-莫方程或波恩公式處理它們的極化問題，都沒有得到滿意的結果。其極化機制是什么?2021/5/9167

斯卡那維（Сканаьп）按照洛倫茲方法，在計及洛倫茲球內極化離子所產生的附加電場E2的作用后，得到了滿意的結果。

下面就以金紅石晶體為例，介紹他估算有效電場并導出其介電常數與極化率的關系的方法。2021/5/9168

1.電子位移極化引起的附加電場設被考察的離子位于洛倫茲球心上，則作用在被考察離子上的附加電場E2等于洛倫茲球內所有離子在外電場作用下所形成的感應偶極矩

在球心處所產生的電場的矢量和。

為計算方便，以被考察的離子為原點，作一直角坐標系x、y、z，設外電場取z軸方向，則每個離子在外電場E的作用下感應偶極矩的方向也沿z軸方向。為計算簡單，感應偶極矩用點偶極矩表示。附加有效電場E2的在估算:2021/5/91692.由于晶格的對稱性，球內所有離子由電子位移極化形成的感應偶極矩

在球心處沿x軸和y軸方向上產生的電場分量恰好互相抵消，因此作用在被考察離子上的附加電場E2等于球內所有偶極矩在球心處沿z軸方向作用的電場的代數和。設位于j點的偶極矩j的坐標為xj,yj,xj，其位移為rj，則偶極矩j在球心處產生的電場為：2021/5/9170式中

j——位于j(xj,yj,zj)處離子的感應偶極矩。

式中j——離子的電子極化率；Eij——作用在j離子處的有效電場。

如在洛倫茲球內有N個離子，每個離子的感應偶極矩為j，則作用在被考察離子上的附加有效電場E2為2021/5/91713.由于離子晶體中存在著幾種不同類和不同相對位置的離子，

為了便于考察，有必要將它們所建立的附加有效電場區分開來。設晶體中有m種不同的離子，其中第k種離子的感應偶極矩為

k=kEik，第l種離子的感應偶極矩為l=lEil，則第k種離子的感應偶極矩作用在被考察的第k種離子上的附加有效電場E2kk為：2021/5/9172

而第l種離子的感應偶極矩

l作用在被考察的第k種離子上的附加有效電場E2kl為：則第k種離子的感應偶極矩作用在被考察的第k種離子上的附加有效電場E2kk為：式中

k、l——第k種離子、第j種離子的電子極化率；Eik、Eil——作用在第k種離子、第j種離子上的有效電場；Nk、Nl——洛倫茲球內第k種離子、第j種離子的總數；Ckk、Ckl——同種離子、異種離子的有效電場結構系數。Ckk和Ckl取決于晶體的結構。2021/5/9173同種離子的結構系數為：異種離子的結構系數為：2021/5/91744.結構系數可能取正值，也可能取負值，結構系數表示被考察離子周圍離子對它的影響。當這種影響加強了外電場的作用時，結構系數取正值，相反的削弱了外電場的作用時，結構系數便取負值。2021/5/9175

設外電場方向沿著BA方向，對于被考察的離子A、B的感應偶極矩作用在A離子上的附加電場與外電場的方向相同，而C離子的感應偶極矩作用在A離子上的附加電場則與外電場的方向相反。因此當A離子周圍B型離子占優勢時，結構系數是正的，而C型離子占優勢時，結構系數是負的。2021/5/9176

如果晶體中含有m種不同類或不同相對位置的離子，則結構系數的數目等于m2。

金紅石晶體只有兩種離子（Ti4+和O2-），且所有O2-和Ti4+離子在晶格點陣中所處的相對位置各只有一種，m=2，因此結構系數有四個。

斯卡那維根據金紅石晶體結構，計及約150個周圍離子時，計算了金紅石型晶體的有效電場結構系數，其結果如表所示。2021/5/9177

金紅石型晶體的結構系數中心離子周圍離子Ti4+O2-Ti4+O2-表中a為晶格常數，a=4.58

10-10m2021/5/91785.有效電場結構系數求得即可求得第k種離子上的附加有效電場E2k為：

作用在第k種離子上的有效電場Eik為：式中E——外加宏觀平均場強；P——介質的極化強度；

l——l種離子的電子極化率；Ckl——有效電場的結構系數，結構系數的第一個下標表示被考察的離子，第二個下標表示周圍離子。2021/5/9179

對于金紅石型晶體，m=2，可得鈦離子和氧離子上的有效電場為：2021/5/9180

考慮到只存在電子位移極化時，介質的極化強度與光頻介電常數之間的關系為：其中N1、N2——單位體積金紅石型晶體中鈦離子、氧離子數；

1、2——鈦離子、氧離子的電子極化率。對于金紅石型晶體，N1=N2/2=N，則有2021/5/9181聯立程組中消去P、E和Ei1、Ei2，便得到聯系介質宏觀參數

與微觀參數

之間的關系式，即

如果略去極化率的乘積項，則可得近似公式為：2021/5/9182如取所有的有效電場結構系數為零，即不考慮附加有效電場E2作用，即轉變為克-莫方程:2021/5/9183這表明對于這類晶體的有效電場的估計方法是成功的。同時看到，對于金紅石型的電子位移極化，當考慮了附加有效電場E2的作用后，計算而得的值低于不考慮附加電場所得的結果，這表明當只存在電子位移極化時，在金紅石型晶體中不可能形成強大的附加有效電場。2021/5/9184

6.電子位移極化和離子位移極化同時并存時，極化情況就完全不同了。

在考察離子位移極化時，由于難于確定各類離子在電場作用下相對其平衡位置的位移量，因而也就無法確定各類離子各自的離子極化率。為求得離子位移極化對有效電場的影響，可以采用下述近似方法。對于金紅石型晶體，在考察離子位移極化時，可以把鈦-氧之間的相對位移全部折算到鈦離子或氧離子上。

如果令Ei1為作用在鈦離子上的有效電場，Ei2為作用在氧離子上的有效電場，那么使得一個TiO2“分子”中鈦離子相對氧離子發生位移的位移場可以近似地取作（Ei1+Ei2）/2。如令

i為一個TiO2“分子”在金紅石型晶體中的離子極化率，則在計及離子位移極化后，作用在鈦離子和氧離子的有效電場可寫成2021/5/9185Ei1中的

a/2是由于每個TiO2“分子”中包含有兩個氧離子，因此在計算鈦離子的極化場時，把鈦-氧間的相對位移全部折算到氧離子時，應取a的一半。考慮到介質的極化強度P與介質宏觀靜態極化參數s之間的關系為

P與介質微觀極化參數

1、2和a之間的關系為

2021/5/9186可求得

s與1、2和i之間的關系，即

簡化關系：

2021/5/9187公式右邊分母中的iC21一項起著重要的作用，它使分母減小，因而使介電常數大大增加.計算值：170；實測值：1732021/5/9188高介電常數的原因金紅石晶體結構點陣圖xyzETi4+O2-C21結構系數C12結構系數離子位移極化電子位移極化2021/5/9189對于金紅石型晶體，C21體現了鈦離子形成的偶極矩對氧離子附加有效電場的影響，由于鈦離子是高價小半徑離子，在金紅石型晶體中又處在由氧離子構成的八面體間隙中，因此在電場作用下鈦離子是比較容易發生位移的，鈦離子相對其平衡位置的位移等效地形成一個偶極矩。由于結構系數C21很大，鈦離子的偶極矩增強了氧離子的有效電場，而氧離子的電子極化率很大，在增強了的有效電場作用下，電子位移極化形成的偶極矩明顯增大。又由于結構系數C12很大，氧離子的偶極矩又反作用到鈦離子上，增大了使鈦離子發生位移的有效電場，使鈦離子發生更強烈的位移。在這樣的循環下，晶體中的鈦離子發生很大的位移，氧離子的電子云發生強烈的位移，鈦、氧離子上的有效電場均大為增強，晶體處于強烈的極化狀態下，強烈地增加了電子位移極化強度，使晶體的靜態介電常數s大大增加。2021/5/9190高介離子晶體:極化:電子,離子位移極化應用:主要作為電容器介質極化特點:靜態介電常數大,光頻介電常數小,電子,離子位移極化耦合.2021/5/9191一.自發極化與鐵電體的概念1.自發極化與其它極化的區別前面講的極化依賴外電場。

自發極化:在沒有外電場的作用時，晶體內部某些區域的正、負電荷中心不重合而呈現電偶極矩，這種現象稱為自發極化。§1.10自發極化與鐵電體2021/5/91922.鐵電體概念

凡呈現自發極化，并且自發極化的方向能隨外加電場而改變的晶體介質稱為鐵電晶體，簡稱鐵電體。oEP矯頑電場Ec自發極化Ps常見的鐵電體有：酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6·4H2O）磷酸二氫鉀（KH2PO4）鈦酸鋇（BaTiO3）思考題:鐵電體材料是否含有鐵?2021/5/9193自發極化方向一致的小區域為電疇在初始狀態，就鐵電體整體而言，對外界將不呈現電荷和極化狀態（相當與回線的O點）。2021/5/91942021/5/9195BaTiO3的電疇2021/5/91962021/5/9197Opticalmicrographofahighpiezoelectricresponserelaxor

singlecrystalshowingthecomplexpresence

ofbothrhombohedral(R)andtetragonal(T)domainstructures.2021/5/9198二.鐵電體的性能和分類1.鐵電體的性能具有電滯回線（Hysteresiscurve)2021/5/9199極化是非線形的，介電系數隨電場強度而變對于鐵電體，上式右端

0相對第二項要小得多，可略去，則規定:“介電系數”是指P～E曲線在原點附近的斜率值

P是E的多值函數，即一個E有3個P值

2021/5/9200鐵電體的自發極化只在一定的溫度范圍內出現。居里溫度TC，就是晶體的順電相-鐵電相的相轉變溫度。鐵電體在不同的溫度下要發生相變。晶體的結構發生變化2021/5/92012.電滯回線的測量X:樣品電壓Y:標準電容器電壓正比于樣品的極化強度2021/5/92021）按極化多少分2）按極化機理分3）按化學成分分4）按T>Tc，即在非鐵電相時是否具有壓電性分3.鐵電體的分類2021/5/9203三.鐵電材料的應用由于鐵電體大都具有高介電常數，電滯特性，壓電特性，在居里點上的順電相區和距離居里點以下的鐵電相區各有特性等原因，在電容器、存儲器、熱釋電探測器、壓電/電致伸縮換能器、電光器件及PTC正溫度系數熱敏電阻有極其廣泛的應用領域。2021/5/9204自發極化,鐵電體,電疇的概念鐵電體的特性—電滯回線鐵電體的應用上次課主要內容:2021/5/9205四.位移型鐵電體結構特點：鈣鈦礦結構通式：ABO3，其中A為一價或二價金屬，B為四價或五價金屬目前使用最廣泛的鐵電體-鈦酸鋇

2021/5/9206ABO3鈣鈦礦結構2021/5/9207Ps=0Ps=[001]Ps=[110]Ps=[111]Cubic立方Tetragonal四角Orthorhombic正交Rhombohedral三方130℃0℃-90℃Ferroelectri