第七章 电介质材料和绝缘(7.4)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,7.4,频率依赖：介电常数与介电损耗,介电驰豫：,电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到达极化平衡需要一定的时间，这个滞后的时间用弛豫时间,描述。,电子极化和离子极化的时间非常短，而固有电矩的取向极化与热平衡性质有关，界面极化与电荷的堆积过程有关，它们则有较长的弛豫时间。,极化弛豫现象造成电介质内部电位移,D,和场强,E,具有一定的位相差，是引起电介质损耗的一个原因，研究极化弛豫可获得关于物质结构的知识。,Fig 7.12,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),在交变电场的作用下,在上图的电场作用下,Fig 7.13,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),相对介电常数：,又称电容率或相对电容率,表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据,常用,r,表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值,表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。,表征介质在外电场作用下极化程度的物理量叫介电常数。（在交变电场作用下，介质的介电常数是复数，虚数部分反映了介质的损耗）。实际上，介电常数并不是一个不变的数，在不同的条件下，其介电常数也不相同。,实部代表相对介电常数，虚部代表电介质中偶极子在电场作用下克服随机碰撞的干扰，沿着不同方向来回取向时发生的能量消耗。,解释为什么取负号。,教材,497,页关于图,7.13,的解释。,Fig 7.13,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),Fig 7.14,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),The dielectric medium behaves like an ideal(lossless)capacitor of capacitance C which is in parallel with a conductance,G,p,.,如图（,a,）所示，在真空电容器 二端加上交流电压,产生的电流为 ，其相位图见（,b,）。若在电容器中充以电介质（图（,c,）。可作起等效电路（图（,d,），其中 为纯电容，为等效电导，相位图见（,e,）。这时总电流为：,滞后 一个角度 ：,2,、在交变电场中的电介质,根据式,可得,：,其中 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：,称为介质损耗角。一般的电工介质材料 约为 ，用于,光纤通信等的石英光纤玻璃，可小至 。,的实部 即为静电场下介质的相对介电常数 ，,它反映介质的储存电荷的能力；的虚部 表示电介,质电导引起的电场能量的损耗，它的物理意义是单位,体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这,些能量通常转化成热能而耗散掉。,把 随外电场频率 变化的过程称为介电色散。在一定的频率范围内，测量介电常数随频率变化的特性曲线称为介电谱。在交变电场作用下，电介质中的原子、分子、偶极矩都会吸收电场的能量，使它们自己处于较高的能量状态或转化成热能，这些统称为介电吸收（介电损耗）。,Fig 7.15,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),参见,p498,的解释,介质损耗,dielectric loss,如果交变电场的频率足够低，取向极化能跟得上外加电场的变化，这时电介质的极化过程与静电场作用下的极化过程没有多大的区别。如果交变电场的频率足够高，电介质中的极化强度就会跟不上外电场的变化而出现滞后，从而引起介质损耗。,动态介电常数也不同于静态介电常数。所谓介质损耗，就是在某一频率下供给介质的电能，其中有一部分因强迫固有偶极矩的转动而使介质变热，即一部分电能以热的形式而消耗。,可见，介质损耗可反映微观极化的弛豫过程。,Fig 7.16,From,Principles of Electronic Materials and Devices,Third Edition,S.O.Kasap(,McGraw-Hill,2005),讲解例,7.5,、例,7.6,和例,7.7,19,7.4.3,德拜方程，科尔,-,科尔图和串联等效电路（略）,20,21,22,