空间电荷极化课件

无机材料物理性能无机材料物理性能2024年年7月月17日日第十二讲第十二讲无机材料物理性能2023年8月14日第十二讲1第七章第七章无机材料的介电性能第七章2电学性能：电导性能 介电性能电学性能：3概述l电介质：电介质：l在电场作用下，能建立在电场作用下，能建立极化极化的一切物质。通常是指电的一切物质。通常是指电阻率大于阻率大于1010 cm的一类在电场中以感应而并非传导的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。的方式呈现其电学性能的物质。l陶瓷电介质的主要应用：陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。前景。l电介质的主要性能：电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介介电常数、介电损耗因子、介电强度。电强度。l目前的发展方向：目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。概述电介质：4l电介质主要包括：l1）绝缘体：绝缘，建立电场，防腐蚀，防辐射；l2）许多半导体：高纯硅和锗，掺杂半导体（有损耗）；l3）高频下的金属薄膜：高损耗。电介质主要包括：5l对陶瓷而言，电介质陶瓷可包括：l1）电绝缘瓷（装置瓷）：主要起固定、支撑、绝缘、保护等作用。l2）电容器瓷：广泛应用于家电、通信、工业仪表等领域；如电子电路中的电容元件、谐振器等。l3）压电陶瓷、铁电陶瓷、热释电陶瓷等：在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。对陶瓷而言，电介质陶瓷可包括：6评价电介质的主要电学性能指标l1）介电常数l2）介电强度l3）损耗因数l4）体电阻率与表面电阻率评价电介质的主要电学性能指标1）介电常数7无机材料与有机塑料比较：无机材料与有机塑料比较：l 有机塑料有机塑料:便宜、易制成更精确的尺寸；便宜、易制成更精确的尺寸；l 无机材料无机材料:l具有优良的电性能具有优良的电性能;l室温时在应力作用下，无蠕变或形变室温时在应力作用下，无蠕变或形变;l有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，塑料常会氧化、气化或分解）塑料常会氧化、气化或分解）;l能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可缺少的部分。缺少的部分。无机材料与有机塑料比较：86.1 介质的极化介质的极化一、极化现象及其物理量一、极化现象及其物理量1 1、极化、极化定义一（宏观）：定义一（宏观）：在外电场作用下，介质表面在外电场作用下，介质表面产生束缚电荷（极化电荷）的现象称为电介质产生束缚电荷（极化电荷）的现象称为电介质的极化。的极化。6.1 介质的极化一、极化现象及其物理量1、极化定义一（宏9定义二（微观）：定义二（微观）：在外电场作用下，介质内在外电场作用下，介质内质点质点(原子、分子、离子原子、分子、离子)正负电荷重心分离，正负电荷重心分离，从而转变成偶极子的现象。从而转变成偶极子的现象。偶极子偶极子：由大小相等、符号相反、彼此相距为：由大小相等、符号相反、彼此相距为l l的两电的两电荷荷(+(+q q、-q)-q)所组成的系统。为正负偶极总称。其极性大所组成的系统。为正负偶极总称。其极性大小和方向常用偶极矩来表示小和方向常用偶极矩来表示单位：单位：德拜德拜(D或库仑或库仑.米米)。1D表示单位正、负电荷表示单位正、负电荷间距为间距为0.210-8 cm时的偶极矩。时的偶极矩。电偶极矩的方向电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向方向与外电场的方向一致与外电场的方向一致。定义二（微观）：在外电场作用下，介质内质点(原子、分子、离子10真空真空+E+自由电荷自由电荷+偶极子偶极子束缚电荷束缚电荷具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象极化现象极化现象 介质的极化介质的极化真空+E+11l电极化电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其转变成偶极子的过程。转变成偶极子的过程。l或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变成偶极子的过程。成偶极子的过程。l偶极子偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有：构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，形成一个偶极子。限范围内短程移动，形成一个偶极子。电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负122、介电常数、介电常数以平板电容器为例。以平板电容器为例。真空中，电容器电容真空中，电容器电容C0为：为：加入电介质后，电容为：加入电介质后，电容为：0：真空介电常数8.8510-12F.m-1：介质的介电常数r：相对介电常数故有：故有：2、介电常数以平板电容器为例。加入电介质后，电容为：0：真133、极化率、极化率极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点的极化率，用小称为质点的极化率，用表示。表示。(法法.米米2 2)局部电场局部电场Eloc：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。：反映材料的极化能力，与材料性质有关。反映材料的极化能力，与材料性质有关。3、极化率极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质点144、极化强度、极化强度极极化化强强度度：单单位位体体积积内内的的电电偶偶极极矩矩总总和和称称为为极化强度，用极化强度，用P P表示。表示。或束缚电荷的面密度。或束缚电荷的面密度。(库库.米米-2-2)单位与电荷面密度单位相同。单位与电荷面密度单位相同。对对平平板板电电容容器器内内的的均均匀匀介介质质，其其极极化化强强度度等等于极化产生的于极化产生的束缚电荷面密度束缚电荷面密度。4、极化强度极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，15介质单位体积中的极化质点数为介质单位体积中的极化质点数为n n，由于每由于每一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：P与宏观平均电场与宏观平均电场E E成正比成正比电介质极化系数电介质极化系数介质单位体积中的极化质点数为n，由于每一偶极子的电偶极矩具有16宏观电场宏观电场E E一、一、是外加电场；是外加电场；二、二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和是构成物体的所有质点电荷的电场之和原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc(有效电场有效电场)宏观电场E一、是外加电场；原子位置上的局部电场Eloc(17 二、克劳修斯二、克劳修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程外加电场外加电场E外外E1 外外加电场加电场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产生）即极板上的所有电荷所产生）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E1 （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）E宏宏=E外外+E11.宏观电场：宏观电场：+二、克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E外E1 182.原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）（有效电场）Eloc=E外外+E1+E2+E3+E外外E1E2E3对于气体质点，其质点间对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。于特定质点上的电场贡献。2.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）+19球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）场）E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。之和。对于平板其值为束缚电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：由由 P=Q1/A=oE1得：得：E1=P/o E1的计算：的计算：假想假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用球外介质的作用E1 E2和球内介质的作用和球内介质的作用E3球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结20洛伦兹场洛伦兹场E2的计算：的计算：rO+Pd rsin 空腔表面上的电荷密度：空腔表面上的电荷密度：P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积绿环所对应的微小环球面的表面积dS:dS=2 rsin rd dS面上的电荷为：面上的电荷为：dq=P cos dS 洛伦兹场E2的计算：rO+Pdrsin空腔表面上的电荷21l根据库仑定律：根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电面上的电荷作用在球心单位正电荷上的荷上的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整个空心球面上的电荷在整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为：点产生的电场为：l dE由由0到到 的积分的积分l洛伦兹场洛伦兹场E2：l E2=P/3 o根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电荷上的P方向分22lE3为只考虑质点附近偶极子的影响，其为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由值由晶体结构晶体结构决定，已证明，球体中具决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所有原有立方对称的参考点位置，如果所有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，子都可以用平行的点型偶极子来代替，则则E3=0。l Eloc=E外外+E1+P/3 o=E+P/3 oE3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明23克劳修斯一莫索蒂方程克劳修斯一莫索蒂方程l根据根据 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设介质单位体积中的极化质点数等于设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又，则又有有 l P=n=n Eloc l得得 （r 1）/（r+2）=n /（3 o）l 上式为克劳修斯上式为克劳修斯-莫索蒂方程莫索蒂方程克劳修斯一莫索蒂方程根据 D=o 24克劳修斯一莫索蒂方程克劳修斯一莫索蒂方程其意义其意义是表征极化特性的宏观参数是表征极化特性的宏观参数-介电常数与微介电常数与微观参数观参数-分子极化率分子极化率联系起来，同时提供了计算联系起来，同时提供了计算介电性能参数的方法。介电性能参数的方法。对具有两对具有两 种以上极化质点的介质，上式变为：种以上极化质点的介质，上式变为：克劳修斯一莫索蒂方程其意义是表征极化特性的宏观参数-介25三、介质的总极化三、介质的总极化l第一种，位移极化：第一种，位移极化：位移式极化位移式极化-弹弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。l第二种，松弛极化：该极化与热运动有第二种，松弛极化：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。性的，需要消耗一定的能量。三、介质的总极化26极化类型极化类型1.弹性位移极化（电子、离子位移极化）弹性位移极化（电子、离子位移极化）2.松驰极化（电子、离子松驰极化）松驰极化（电子、离子松驰极化）3.偶极子转向极化偶极子转向极化4.空间电荷极化空间电荷极化5.自发极化自发极化6.高介晶体的极化高介晶体的极化极化类型弹性位移极化（电子、离子位移极化）27电子位移极化电子位移极化电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化。电子云相对于原子核发生位移形成的极化。形形成成极极化化所所需需时时间间极极短短，约约为为1010-15-15，故故其其r r不不随随频频率变化；率变化；具具有有弹弹性性，当当外外电电场场去去掉掉时时，作作用用中中心心又又马马上上会会重重合合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗；而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗；温度对电子式极化影响不大。温度对电子式极化影响不大。电子位移极化电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相28研研究究电电子子位位移移极极化化，关关键键是是计计算算电电子子极极化化率率，一一般般有有如如下下两两种模型种模型：带电粒子间的弹性模型。带电粒子间的弹性模型。圆周轨道模型圆周轨道模型(玻尔模型玻尔模型)。电子位移极化电子位移极化研究电子位移极化，关键是计算电子极化率，一般有如下两种模型：29+e-e电子位移极化电子位移极化弹性模型弹性模型动态动态静态静态建立牛顿方程：建立牛顿方程：ma=-kx-eEoe i t电偶极矩：电偶极矩：=-ex=Eoe i t1/(k/m)o2 2e2/m 弹性振子的固有频率弹性振子的固有频率：o=(k/m)1/2有：有：=e Eloc 得：得：+e-e电子位移极化弹性模型动态静态建立牛顿方程：ma=30电子位移极化电子位移极化玻尔原子模型玻尔原子模型R电子位移极化玻尔原子模型R31离子位移极化离子位移极化形形成成极极化化所所需需时时间间极极短短，约约为为1010-13-13，故故在在一一般的频率范围内，可以认为般的频率范围内，可以认为rr与频率无关；与频率无关；属弹性极化，几乎没有能量损耗；属弹性极化，几乎没有能量损耗；温温度度对对离离子子式式极极化化的的影影响响，存存在在两两个个相相反反的的因因素素 ：温温度度升升高高时时离离子子间间的的结结合合力力降降低低，使使极极化化程程度度增增加加，但但离离子子的的密密度度随随温温度度升升高高而而减减小小，使极化程度降低。使极化程度降低。离子位移极化形成极化所需时间极短，约为10-13，故在一般32离子位移极化离子位移极化离子位移极化模型离子位移极化模型感生的电偶极矩为：感生的电偶极矩为：=q(+-)=iEloc离子位移极化离子位移极化模型感生的电偶极矩为：33l正离子受到的弹性恢复力：正离子受到的弹性恢复力：-k(+-)l负离子受到的弹性恢复力：负离子受到的弹性恢复力：-k(-+)l运动方程：运动方程：l M+a=-k（+-)+qEoe i tl M-a=-k(-+)+qEoe i tl得：得：M*=M+M-/(M+M-)l弹性振子的固有频率弹性振子的固有频率：o=(k/M*)1/2l离子位移极化率：离子位移极化率：e=1/(o2 2)q2/M*l 0 静态极化率：静态极化率：i=q2/M*o2=q2 k正离子受到的弹性恢复力：-k(+-)34离子位移极化离子位移极化相对运动约化质量（折合质量）相对运动约化质量（折合质量）静态静态动态动态弹性恢复力常数弹性恢复力常数离子位移极化相对运动约化质量（折合质量）静态动态弹性恢复力常35松弛极化松弛极化松弛极化的特点：松弛极化的特点：1.1.松弛极化与质点的热运动有关；松弛极化与质点的热运动有关；2.2.质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚至更大；至更大；3.3.极化建立的时间较长，达极化建立的时间较长，达1010-2-21010-9-9；4.4.极化需要吸收一定的能量。极化需要吸收一定的能量。比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。一种非可逆过程。松弛极化松弛极化的特点：松弛极化与质点的热运动有关；比位移极36松弛极化松弛极化离子松弛极化离子松弛极化电子松弛极化电子松弛极化偶极子松弛极化偶极子松弛极化热松弛极化率热松弛极化率:松弛极化离子松弛极化电子松弛极化偶极子松弛极化热松弛极化率:37转向极化转向极化极极化化是是非非弹弹性性的的，消消耗耗的的电电场场能能在在复复原原时时不不可可能能收回。收回。形形成成极极化化所所需需时时间间较较长长，约约为为1010-10-101010-2-2，故故其其r r与与电电源源频频率率有有较较大大的的关关系系，频频率率很很高高时时，偶极子来不及转动，因而其偶极子来不及转动，因而其r r减小。减小。温度对极性介质的温度对极性介质的r r有很大的影响。有很大的影响。转向极化的特点转向极化的特点:转向极化极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。转38转向极化转向极化转向极化主要发生在极性分子介质中。转向极化主要发生在极性分子介质中。根据经典统计，求得极性分子的转向根据经典统计，求得极性分子的转向极化率：极化率：转向极化转向极化主要发生在极性分子介质中。根据经典统计，求得39空间电荷极化空间电荷极化在在电电场场的的作作用用下下不不均均匀匀介介质质内内部部的的正正负负间间隙隙离离子子分分别别向向负负、正正极极移移动动，引引起起瓷瓷体体内内各各点离子密度变化，即出现偶极矩的极化点离子密度变化，即出现偶极矩的极化。定义：定义：空间电荷极化在电场的作用下不均匀介质内部的正负间隙离子分别向40空间电荷极化：空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。为高压式极化。-+-+-+外电场外电场P空间电荷极化：-外电场P41空间电荷极化空间电荷极化特点：特点：其其时时间间约约为为几几秒秒钟钟到到数数十十分分钟钟，甚甚至至数数十十余余小时。小时。属非弹性极化，有能量损耗。属非弹性极化，有能量损耗。随随温温度度的的升升高高而而下下降降，只只在在直直流流和和低低频频下下发发生。生。空间电荷极化特点：其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时42多晶多相无机材料的极化多晶多相无机材料的极化两相的介电常数分别为两相的介电常数分别为 1和和 2，浓度分别为，浓度分别为 1和和 2(1+2=1)。当两相并联时：当两相并联时：当两相串联时：当两相串联时：当两相混合时：当两相混合时：多晶多相无机材料的极化两相的介电常数分别为1和2，浓度43陶瓷介质的极化陶瓷介质的极化电工陶瓷按其极化形式可分为：电工陶瓷按其极化形式可分为：1)1)主要是电子位移极化的电介质，包括金红石瓷、主要是电子位移极化的电介质，包括金红石瓷、钙钛矿瓷以及某些含锆陶瓷。钙钛矿瓷以及某些含锆陶瓷。2)2)主要是离子位移极化的材料，包括刚玉、斜顽主要是离子位移极化的材料，包括刚玉、斜顽辉石为基础的陶瓷以及碱性氧化物含量不多的辉石为基础的陶瓷以及碱性氧化物含量不多的玻璃。玻璃。3)3)具有显著离子松弛极化和电子松弛极化的材料，具有显著离子松弛极化和电子松弛极化的材料，包括绝缘子瓷、碱玻璃和高温含钛陶瓷。包括绝缘子瓷、碱玻璃和高温含钛陶瓷。陶瓷介质的极化电工陶瓷按其极化形式可分为：主要是电子位移极化44 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移电子位移松弛极化松弛极化高价金属高价金属氧化物氧化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷空间电荷极化极化结构不均结构不均匀的材料匀的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有 各种极化形式的比较极化形式极45空间电荷极化空间电荷极化松弛极化松弛极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化 工频46l1、电子松弛极化的原理、特点、极化率、电子松弛极化的原理、特点、极化率的计算。的计算。l2、离子松弛极化。、离子松弛极化。l3、转向极化。、转向极化。l4、空间电荷极化。、空间电荷极化。l5、自发极化。、自发极化。1、电子松弛极化的原理、特点、极化率的计算。47谢谢！48