电介质理论基础学习教案

会计学1电介质理论电介质理论(lln)基础基础第一页，共54页。n电介质是在电场中没有稳定传导电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以感应的方式电流通过而以感应的方式(fngsh)对外场做出相应的扰动物质的统对外场做出相应的扰动物质的统称。称。n电介质（电介质（dielectric） ：电阻率很：电阻率很大大,导电性能很差的物质导电性能很差的物质,可看作理可看作理想的绝缘体，无自由电荷。想的绝缘体，无自由电荷。n电介质的特征是以正、负电荷重电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式心不重合的电极化方式(fngsh)传递、存储或记录电的作用和影传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚响，但其中起主要作用的是束缚电荷。电荷。第1页/共54页第二页，共54页。电介质极化特点：内部场强一般不电介质极化特点：内部场强一般不为零。为零。电介质能以感应而非传导的方式来电介质能以感应而非传导的方式来传递磁场传递磁场(cchng)信息信息电介质材料一般特性的基本知识电介质材料一般特性的基本知识: 恒定电场中电介质的极化过程，包恒定电场中电介质的极化过程，包括其介电常数、有效电场的概念括其介电常数、有效电场的概念、极化类型等；恒定电厂中电介、极化类型等；恒定电厂中电介质电导特性，包括电导现象、物质电导特性，包括电导现象、物理参数；交变场的介电损耗，以理参数；交变场的介电损耗，以及强电场中的介电击穿等及强电场中的介电击穿等第2页/共54页第三页，共54页。电介质材料电介质材料(cilio)(cilio)的应用的应用第3页/共54页第四页，共54页。电介质的分类：电介质的分类：按来源：天然介质和人造介质按来源：天然介质和人造介质按聚集按聚集(jj)状态：气态、液态和状态：气态、液态和固态介质固态介质按化学组成分：有机介质和无机按化学组成分：有机介质和无机介质介质按电介质电性能分：极性介质和按电介质电性能分：极性介质和非极性介质非极性介质第4页/共54页第五页，共54页。在外电场下，电介质会发生极化、在外电场下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿等物理过电导、介质损耗和击穿等物理过程。程。本章主要讨论在外电场下的几个基本章主要讨论在外电场下的几个基本特征，并对电介质的非电性能本特征，并对电介质的非电性能作简要介绍。作简要介绍。本章以各向同性、线性且均匀的电本章以各向同性、线性且均匀的电介质为例，分析介质为例，分析(fnx)他们在电他们在电场中的行为。场中的行为。第5页/共54页第六页，共54页。第6页/共54页第七页，共54页。主要内容主要内容 ：2.1 电介质电介质(jizh)的极化的极化2.2 交变电场下的介质交变电场下的介质(jizh)极极化与损耗化与损耗2.3 电介质电介质(jizh)的电导与击穿的电导与击穿2.4 电介质电介质(jizh)材料的非电性材料的非电性能能第7页/共54页第八页，共54页。2.1 电介质的极化电介质的极化(j hu)主要内容主要内容 ：2.1.1电介质的极化现象电介质的极化现象2.1.2电介质的介电常数电介质的介电常数2.1.3 极化强度和极化率极化强度和极化率2.1.4 电介质极化的宏观参数和微电介质极化的宏观参数和微观参数的关系观参数的关系2.1.5 电介质极化的基本电介质极化的基本(jbn)类类型型2.1.6 实际电介质的极化及其介电实际电介质的极化及其介电常数常数(略略)第8页/共54页第九页，共54页。2.1.1电介质的极化电介质的极化(j hu)现象现象第9页/共54页第十页，共54页。2.1.1电介质的极电介质的极化化(j hu)第10页/共54页第十一页，共54页。2.1.1电介质的极电介质的极化化(j hu)第11页/共54页第十二页，共54页。2.1.2电介质的介电常数电介质的介电常数(ji din chn sh)0r第12页/共54页第十三页，共54页。2.1.2电介质的介电常数电介质的介电常数(ji din chn sh)第13页/共54页第十四页，共54页。VPlimV宏观上无限小微观宏观上无限小微观上无限大的体积元上无限大的体积元Vip每个分子每个分子的电偶极的电偶极矩矩2.1.3 极化极化(j hu)强度和强度和极化极化(j hu)率率第14页/共54页第十五页，共54页。e0En P2.1.3 极化极化(j hu)强度和强度和极化极化(j hu)率率第15页/共54页第十六页，共54页。以充满(chngmn)均匀、各向同性电介质的平行电容器为例：放入电介质前自由电荷0000E000E极化电荷00PE 放入电介质 后rPE 2.1.4 电介质极化的宏观参数和微观电介质极化的宏观参数和微观(wigun)参数的关系参数的关系第16页/共54页第十七页，共54页。电介质中某一点(y din)场强0EEE0000001()EEE依电势与电容(dinrng)定义：000000rrrQdddUEdQECS 001rrEEEE 极化电荷 与自由电荷 的关系0QQ000001()rrEE 第17页/共54页第十八页，共54页。01(1)r01(1)rQQ 001rQQ极化电荷密度 与 的关系E0000rEEE00001(1)(1)(1)rrrrPEE电介质的极化率平行平行(pngxng)电容器电容器第18页/共54页第十九页，共54页。第19页/共54页第二十页，共54页。 有极分子：正负电荷中心不重合有极分子：正负电荷中心不重合(chngh)(H2O、Hcl) 微观：电偶极矩微观：电偶极矩 p分子分子 0，(l 0) 宏观：中性不带电宏观：中性不带电 第20页/共54页第二十一页，共54页。00E 00E0分子p后果：出现极化电荷（不能自由后果：出现极化电荷（不能自由(zyu)(zyu)移动）移动）束缚电荷束缚电荷 0分子p第21页/共54页第二十二页，共54页。EE退极化场（附加场）退极化场（附加场）在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强第22页/共54页第二十三页，共54页。描绘极化描绘极化) , ( 0EEEqP第23页/共54页第二十四页，共54页。e0En PE1)-( P0rEE1 0e0rn2.1.4 电介质极化的宏观参数电介质极化的宏观参数(cnsh)和的关系和的关系比较比较(bjio)上式表示了电介质中与极化有关上式表示了电介质中与极化有关(yugun)(yugun)的宏观参数的宏观参数( (、r r、E E）与微观参数）与微观参数( (、n0n0、Ee)Ee)之间地关系。之间地关系。 微观参数微观参数宏观参数宏观参数第24页/共54页第二十五页，共54页。2.1.4 电介质极化的宏观电介质极化的宏观(hnggun)参数和的关系参数和的关系第25页/共54页第二十六页，共54页。2.1.4 电介质极化电介质极化(j hu)的宏观参数和的关系的宏观参数和的关系第26页/共54页第二十七页，共54页。E32 Ere00rr321n2.1.4 电介质极化电介质极化(j hu)的宏观参数和微观参数的关系的宏观参数和微观参数的关系lorentz有效有效(yuxio)电场电场克劳修斯莫索提公式克劳修斯莫索提公式(gngsh)，克，克-莫极化方程莫极化方程 第27页/共54页第二十八页，共54页。E32 Ere00rr321n2.1.4 电介质极化的宏观电介质极化的宏观(hnggun)参数和微观参数的关系参数和微观参数的关系lorentz有效有效(yuxio)电场电场克劳修斯莫索提公式克劳修斯莫索提公式(gngsh)，克，克-莫极化方程莫极化方程 第28页/共54页第二十九页，共54页。电介质的极化(j hu)电介质非极性电介质：极性电介质:离子(lz)性电介质:单原子(yunz)分子(He,Ne,Ar等)相同原子组成的分子(H2,N2,Cl2等)对称结构的多原子分子(CO2,CCl4,CnH2n+2等)弱极性电介质,00.5D中极性电介质, 0.5D 01.5D石英，云母，金红石型离子晶体玻璃陶瓷其他无机电介质一般具有对称的化学结构，介电常数r=25,体电阻率v=10141016m化学惰性，性能稳定化学结构不对称，介电常数r=2.680,体电阻率高于非极性电介质介电常数较大，较高的机械强度按正负电荷和分布特性可分为无外电场作用时，由正负电荷中心重合，电偶极矩为零的分子组成无外电场作用时，由正负电荷中心不重合，具有固有偶极矩的分子组成通常由正负离子组成第29页/共54页第三十页，共54页。2.1.5 电介质极化的基本电介质极化的基本(jbn)类型类型电介质极化电介质极化(j hu)电子电子(dinz)极化；离子极化；偶极极化；空间电荷极化极化；离子极化；偶极极化；空间电荷极化第30页/共54页第三十一页，共54页。（1 1）电子极化）电子极化 由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场时，电子云相对于原子核发生位移，因为由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场时，电子云相对于原子核发生位移，因为(yn wi)(yn wi)产生感应电矩。最简单的模型是图（产生感应电矩。最简单的模型是图（a)a)所示的氢原子的电子极化。无外电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电场后经所示的氢原子的电子极化。无外电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电场后经 即能产生极化。即能产生极化。第31页/共54页第三十二页，共54页。l qm第32页/共54页第三十三页，共54页。第33页/共54页第三十四页，共54页。（2 2）离子极化）离子极化 由异号离子组成的晶体，如由异号离子组成的晶体，如NaclNacl，在外电场作用下，正、负离子均发生位移，见图（，在外电场作用下，正、负离子均发生位移，见图（b b），以一维排列的正、负离子原来间隔均等），以一维排列的正、负离子原来间隔均等(jndng)(jndng)，加了外电场后，正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约为，加了外电场后，正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约为 。第34页/共54页第三十五页，共54页。第35页/共54页第三十六页，共54页。第36页/共54页第三十七页，共54页。第37页/共54页第三十八页，共54页。第38页/共54页第三十九页，共54页。化或转向极化。第39页/共54页第四十页，共54页。质的值与电源频率有较大关系。第40页/共54页第四十一页，共54页。第41页/共54页第四十二页，共54页。第42页/共54页第四十三页，共54页。第43页/共54页第四十四页，共54页。（4）空间电荷极化）空间电荷极化(夹层极化夹层极化) 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流子会发生漂移，它们在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流子会发生漂移，它们(t men)可能被势阱捕获，也可能在介质不均匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。它的频率响应最慢。可能被势阱捕获，也可能在介质不均匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。它的频率响应最慢。电子极化电子极化离子极化离子极化位移极化位移极化偶极极化偶极极化弛豫极化弛豫极化空间电荷极化空间电荷极化第44页/共54页第四十五页，共54页。第45页/共54页第四十六页，共54页。第46页/共54页第四十七页，共54页。第47页/共54页第四十八页，共54页。第48页/共54页第四十九页，共54页。第49页/共54页第五十页，共54页。第50页/共54页第五十一页，共54页。第51页/共54页第五十二页，共54页。主要主要(zhyo)掌握掌握1 什么是极化什么是极化2 极化的介电常数推导极化的介电常数推导3 极化强度极化强度(qingd)与极化率与极化率4 电介质极化的宏观参数与微观参数的关系电介质极化的宏观参数与微观参数的关系5电介质极化的类型电介质极化的类型作业作业(zuy) p61 1、4（写出详细的公式推导过程）（写出详细的公式推导过程）第52页/共54页第五十三页，共54页。（3）偶极极化）偶极极化 有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩，如图（有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩，如图（c）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章，宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的电偶极矩转向外电场方向）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章，宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的电偶极矩转向外电场方向(fngxing)，偶极极化也叫做转向极化。它的响应速度较慢，一般在，偶极极化也叫做转向极化。它的响应速度较慢，一般在 左右。左右。第53页/共54页第五十四页，共54页。