电子位移极化课件

,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,无机材料物理性能,2024年11月11日,第十九讲,无机材料物理性能2023年8月7日第十九讲,1,无机材料的介电性能,第六章,无机材料的介电性能第六章,2,概述,电介质：,在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于,10,10,cm,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。,陶瓷电介质的主要应用：,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：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前景。,电介质的主要性能：,介电常数、介电损耗因子、介电强度。,目前的发展方向：,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。,概述电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻,3,无机材料与有机塑料比较：,有机塑料,:,便宜、易制成更精确的尺寸；,无机材料,:,具有优良的电性能,;,室温时在应力作用下，无蠕变或形变,;,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）,;,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。,无机材料与有机塑料比较：,4,无机材料的介电性能,电介质指在电场作用下，能建立极化的一切物质,介质的极化指电介质在电场作用下产生感应电荷的现象,0,真空介电常数,8.8510,-12,介质的介电常数,r,相对介电常数,无机材料的介电性能电介质指在电场作用下，能建立极化的一切物质,5,介质的极化,极化现象及其物理量,极化就是介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷重心的分离。,由大小相等、符号相反、彼此相距为,l,的两电荷(+,q、-q),所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示,单位：德拜(,D,或库仑.米)。1,D,表示单位正、负电荷间距为0.210,-8,cm,时的偶极矩。,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。,介质的极化极化现象及其物理量极化就是介质内质点(原子、分子、,6,真空,+,+,+,+,E,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,自由电荷,+,偶极子,束缚电荷,具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象,极化现象,介质的极化,真空+E+,7,电极化：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，使其转变成偶极子的过程。,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。,偶极子：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。,电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原子、分子、离子）正负,8,极化的物理量,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,表示。,表征材料的极化能力,极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，用,P,表示。,或束缚电荷的面密度。,(法.米,2,),(库.米,2,),局部电场,E,loc,：作用在微观质点上的局部电场。,极化的物理量极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大小称为质,9,极化的物理量,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同一方向，则：,P,与宏观平均电场,E,成正比,电介质极化系数,极化的物理量介质单位体积中的极化质点数为n，由于每一偶极子的,10,极化的物理量,宏观电场,E,一、,是外加电场；,二、,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,E,loc,(,有效电场),极化的物理量宏观电场E一、是外加电场；原子位置上的局部电场E,11,克劳修斯,-,莫索蒂方程,外加电场,E,外,E,1,外,加电场,E,外,(,物体外部固定电荷所产生。,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,E,1,（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）,E,宏,=E,外,+E,1,1.,宏观电场：,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,克劳修斯-莫索蒂方程外加电场E外E1,12,2.,原子位置上的局部电场,E,loc,（有效电场）,E,loc,=E,外,+E,1,+E,2,+E,3,+,+,E,外,E,1,E,2,E,3,对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。,对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响,。,作用于介质中质点的内电场,周围介质的极化作用对作用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）+,13,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（洛伦兹场）,E,2,和整个介质外边界表面极化电荷作用场,E,1,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：由,P=,Q,1,/A=,o,E,1,得：,E,1,=,P,/,o,E,1,的计算：,假想,：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：球外介质的作用,E,1,E,2,和球内介质的作用,E,3,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,14,洛伦兹场,E,2,的计算：,r,O,+,P,d,rsin,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,dS:,dS=2rsin rd,dS,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,15,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,方向分力,dF,：,dF=,（,Pcos,dS/4,o,r,2,)cos,由,qE=F 1E=F E=F,dE=,Pcos2,dS/4,o,r,2,=(2rsind)(,Pcos2,/4,o,r,2,),=,Pcos2,sin,/2,o,r,2,d,整个空心球面上的电荷在,O,点产生的电场为：,dE,由,0,到的积分,洛伦兹场,E,2,：,E,2,=,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,16,E,3,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，球体中具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，则,E,3,=0,。,E,loc,=E,外,+E,1,+P,/,3,o,=E+P,/,3,o,E3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,17,克劳修斯一莫索蒂方程,根据,D=,o,E+P,得,P,=D,o,E=,（,1,o,）,E,=,o,（,r,1,）,E,由,E,loc,=E,外,+E,1,+P,/,3,o,=E+P,/,3,o,=E+,o,（,r,1,）,/,3,o,得,E,loc,=,（,r,+2,）,E/3,设介质单位体积中的极化质点数等于,n,，则又有,P=,n,=n,E,loc,得 （,r,1,）,/,（,r,+2,）,=n,/,（,3,o,）,上式为克劳修斯,-,莫索蒂方程,克劳修斯一莫索蒂方程根据 D=o,18,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-介电常数与微观参数-分子极化率,联系起来，同时提供了计算介电性能参数的方法。,对具有两 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,19,极化的基本形式：,第一种，位移极化：位移式极化,-,弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。,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，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。,极化的基本形式：,20,极化类型,弹性位移极化（电子、离子位移极化）,松驰极化（电子、离子松驰极化）,偶极子转向极化,空间电荷极化,自发极化,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）,21,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对于原子核发生位移形成的极化。,形成极化所需时间极短，约为10,-15,，故其,r,不随频率变化；,具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗；,温度对电子式极化影响不大。,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,22,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,：,带电粒子间的弹性模型。,圆周轨道模型(玻尔模型)。,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：,23,+,e,-,e,电子位移极化,弹性模型,动态,静态,建立牛顿方程：,ma=-kx-eE,o,e,i,t,电偶极矩：,=-ex,=E,o,e,i,t1/(k/m)o,2,2,e,2,/m,弹性振子的固有频率：,o,=(k/m),1/2,有：,=,e,E,loc,得：,+e-e电子位移极化弹性模型动态静态建立牛顿方程：ma=,24,电子位移极化,玻尔原子模型,R,电子位移极化玻尔原子模型R,25,离子位移极化,形成极化所需时间极短，约为10,-13,，故在一般的频率范围内，可以认为,r,与频率无关；,属弹性极化，几乎没有能量损耗；,温度对离子式极化的影响，存在两个相反的因素：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加，但离子的密度随温度升高而减小，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,26,离子位移极化,离子位移极化模型,感生的电偶极矩为：,=q(,+,-,),=,i,E,loc,离子位移极化离子位移极化模型感生的电偶极矩为：,27,正离子受到的弹性恢复力：,-k(,+,-),负离子受到的弹性恢复力：,-k(,-,+),运动方程：,M,+,a=-k,（,+,-),+qE,o,e,i,t,M,-,a=-k(,-,+),+qE,o,e,i,t,得：,M*=M+M-/(M,+,+M,-,),弹性振子的固有频率：,o,=(k/M*),1/2,离子位移极化率：,e,=1/(,o,2,2,)q,2,/M*,0,静态极化率：,i,=q,2,/M*,o,2,=q,2,k,正离子受到的弹性恢复力：-k(+-),28,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,29,松弛极化,松弛极化的特点：,松弛极化与质点的热运动有关；,质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚至更大；,极化建立的时间较长，达10,-2,10,-9,；,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。,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,30,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:,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:,31,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。,形成极化所需时间较长，约为10,-10,10,-2,，故其,r,与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其,r,减小。,温度对极性介质的,r,有很大的影响。,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,32,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，求得极性分子的转向极化率：,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,33,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负、正极移动，引起瓷体内各点离子密度变化，即出现偶极矩的极化,。,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,34,空间电荷极化：,在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由