《电介质材料》PPT课件.ppt

第九章 电介质材料Dielectricmaterial 1 电介质基本物理性能 重点 一 简介二 电介质分类三 极化类型四 电介质的物理性质 2 一 简介 电介质材料定义 在电场作用下 能建立极化的一切物质 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 电介质的主要性能 介电常数 介电损耗因子 介电强度 3 一 简介 什么是极化 在电场作用下 电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象 静电感应现象 4 二 极化的微观机制 1电介质 是由大量电中性的分子组成 紧束缚的正 负电荷在外电场中要发生变化 无极分子 Nonpolarmolecule 在无外场作用下整个分子无电矩 例如 CO2H2N2O2He 有极分子 Polarmolecule 在无外场作用下存在固有电矩例如 H2OHclCOSO2因无序排列对外不呈现电性 2电介质的分子 5 二 极化的微观机制 1 无极分子 正负电荷重心重合 感应偶极矩 位移极化 例如 He H2 N2 CO2 CH4等 2 有极分子 正负电荷重心不重合 固有偶极矩 取向极化 例如 H2O NH3 CO SO2 H2S CH3OH等 6 三 极化的类型 电子位移极化 离子位移极化 偶极子转向极化 松弛极化 空间电荷极化等 1 电子位移极化 电场作用下 粒子中的电子云相对于原子核发生位移 而感生一个沿电场方向的感应偶极矩 存在于一切介质中 建立时间短 瞬时完成 具有弹性 温度影响不大 7 2 离子位移极化 无电场作用时 离子处在正常结点位置并对外保持电中性 偶极矩矢量和为零 离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长 存在于具有离子式结构的固体无机化合物 属弹性极化 几乎没有能量损耗 响应时间也较短温度升高 出现极化程度增强趋势 8 3 偶极子转向极化 受到分子热运动的无序化作用 电场的有序作用和分子间的相互作用 建立时间较长 非弹性的 随温度的升高而下降 响应时间较长 9 3 偶极子转向极化 10 4 松弛 弛豫 极化 松弛质点 材料中存在着弱联系的电子 离子和偶极子 松弛极化 松弛质点由于热运动使之分布混乱 电场力使之按电场规律分布 在一定温度下发生极化 离子松弛极化率与温度成反比 热运动越剧烈对弱离子规则运动阻碍越大 离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级 可导致材料大的介电常数 比位移极化移动较大距离 建立的时间较慢 约为10 2s 移动时需克服一定的势垒 需吸收一定的能量 是非可逆的过程 11 12 在电场作用下 在障碍处 自由电子积聚 原先混乱排布的正 负自由电荷分别向负 正极运动 使得正极积聚较多的负电荷 负极附近积聚较多的正电荷 从而出现电偶极矩 形成空间电荷极化 一般为高压式极化 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 都可成为自由电子运动的障碍 5 空间电荷极化 各种极化形式的比较 13 电介质定义的解析 电介质是在电场中没有稳定传导电流通过 而以感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称 电介质的特征是以正 负电荷重心不重合的电极化方式传递 存储或记录电的作用和影响 但其中起主要作用的是束缚电荷 物质对电场的响应分为 传导 自由电荷的长程移动 感应 束缚电荷的短程运动 14 电介质 绝缘体 物质对电场的两种响应方式 传导和极化 传导性 绝缘体 半导体与导体 极化特性 顺铁体 铁电体 反铁电体 压电体 热释电体等电介质 绝缘体肯定是电介质 电介质却不仅仅包括绝缘体 半导体甚至金属都有电介质的特性 只是对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应 15 四 电介质的物理性质 电介质材料的三个基本参数 介电常数 介电损耗 介电强度 1 介电常数 介电性 将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间 由于电介质的极化 可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍 电介质的这一性质称为介电性 介电常数 用来表示材料介电性的大小的参数 16 极化能力的表征 介电常数 定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C0的比值为该电介质的相对介电常数 介电常数反映了介质极化能力的大小 介电常数值越大 极化能力越强 电容器介质的介电常数越大 电容器存储电荷的能力越强 17 D 介质中的电位移 仅与自由电荷的密度有关 E 介质中的总电场强度 与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关 极化能力的表征 介电常数 电介质提高电容量的原因 由于质点的极化作用 结果在材料表面感应了异性电荷 它们束缚住板上一部分电荷 抵消 中和 了这部分电荷的作用 在同一电压下 增加了电容量 结果 材料越易极化 材料表面感应异性电荷越多 束缚电荷也越多 电容量越大 相应电容器的尺寸可减小 18 80 1 水 26 4 乙醇 4 27 4 34 石英 3 80 玻璃 1 00059 空气 2 0 2 5 1 00000 石蜡 真空 常用电介质材料的相对介电常数 巨介电常数材料 CaCu3Ti4O12 105 19 对于真空中的平板电容器 在其上加一个交变电压 则电极上出现电荷 该电荷与外电压同相 其电流为 与外电压有相差90度 是一种非损耗性电流 如果极板间加入材料是弱电性的 或极性的 或两者均有 总之材料具有一定的电导 则在材料中必然会存在一个与导电性能有关的电流GU 这个电流与外电压的频率是没有关系的 则电容器总的电流应为两部分之和 可表示为 20 复介电常数 恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同 介电常数为一恒定值 由于 另 电流密度可收可表示为 故可定义复介电常数 故电流密度为 损耗角定义为 21 复介电常数 复介电常数 复介电常数的实部反映介质的储存电荷的能力 复介电常数的虚部是由材料内部的各种极化跟不上外高频电场变化而引起的弛豫现象 代表着材料的损耗项 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 22 多相系统电介质材料的介电常数 如果二相的介电常数相差不大 而且均匀分布时 其混合物的介电常数为 当介电常数为的球形颗粒均匀地分散在介电常数为的基相中时 其混合物的介电常数为 23 介电常数的温度系数 指随温度的变化 介电常数的相对变化率 即 各种极化的温度系数 电子位移极化的温度系数 具有不大的负温度系数 离子位移极化的温度系数 具有正的温度系数 松弛极化的温度系数 可能出现极大值 24 当一种材料由两种介质复合而成 且这两种介质的粒度都非常小 分布均匀时 该材料的温度系数可由定义式微分得到 即 应用 热稳定陶瓷电容器 用一种TK 值为很小正值的晶体作为主晶体 加入另一种具有负TK 值的晶体 调节TK 到最小值 25 介质极化强度和极化率 极化强度矢量 它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和 若介质中的电场是均匀的 则有 单位为 C m2 若单位体积中有n0个极化粒子 各极化粒子偶极矩的平均值为 则有 对于线性极化 与电场强度成正比 有 作用在极化粒子 原子 分子或离子 上的局域电场 称为有效电场 极化粒子的极化率 是表征微观粒子极化性质的微观参数 26 27 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 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系 平板型电容器的极片面积为S 极片间距为d 均匀极化时 整个电介质总的感应偶极矩 S 极化强度 28 影响介电常数的微观因素 提高单位体积内的极化粒子数n0 选取极化率 大的粒子组成电介质 增强作用于极化粒子上的有效电场Ee 对于气体 非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质 有效电场与外电场的关系为 在离子晶体中 Ee与离子种类 晶体结构等有关 29 影响介电常数的宏观因素 宏观量 温度T频率f微观量 单位体积内的极化粒子数n0极化率 有效电场Ee 确认宏观因素与微观参数的关系 温度 频率分别与n0和 的关系 Ee 气体 非极性介质 高度对称和完全无序介质与外电场有关 在离子晶体中 与离子种类 晶体结构等有关 30 介电常数与频率的关系 电子位移极化 离子位移极化 松弛极化 空间电荷极化 频率f极化率 31 介电常数与温度的关系 考察介电常数随温度的变化关系 只需研究n0 极化率 和Ee随温度的变化关系 n0 极化率 电子位移极化率 温度升高 密度降低 略微下降 离子位移极化 T升高 离子间距膨胀 极化率增加 自发极化 与相变和晶体结构等因素有关 偶极子取向极化 离子松弛极化 温度升高 抗取向性增强 极化率下降 温度升高 由于热膨胀 单位体积内的粒子数减少 32 电介质的介质损耗 电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短 可以与可见光的周期相比拟 在远低于光频的无线电频率范围 这两种极化可以看成是即时的 称为瞬时极化 偶极子取向极化 离子松弛极化 空间电荷极化和自发极化建立的时间较长 称为缓慢极化 也称弛豫极化 在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数 s 瞬时极化与交变电场完全同步 其极化强度与电场间没有相位差 缓慢极化需要经过一段时间才能达到相应电场下的最大极化值 缓慢极化强度与电场之间存在相位差 33 随着交变电场频率的不同 介质的极化响应分3种情况 频率很低 各种极化的建立跟得上电场的变化 介质的极化响应同静电场情形 频率极高 弛豫极化完全来不及建立 不必考虑 瞬时极化仍同静电场情形 介于中间 出现极化损耗 介电常数随电场频率变化 34 余弦交变电场 介质的位移电流密度 电场频率很低时 极化跟得上电场的变化 电位移D 与电场E之间没有相位差 单位时间内单位体积消耗的能量 交变电场频率很低时 介质中没有极化损耗 1 极化损耗 35 电介质的介质损耗 电场频率较高时 余弦交变电场 某些类型的极化不能完全跟上电场的变化 电位移D 与电场E之间出现相位差 介质的位移电流密度 不导致介质中出现能量损耗 单位时间单位体积的介质中能量损耗 当极化滞后于交变电场变化时 介质中产生能量损耗 称为极化损耗 极化损耗与电场频率及有关 相角称为电介质损耗角 36 定义 电介质材料在电场作用下 由于介质电导和介质极化的滞后效应 在其内部引起的能量损耗 内部会有发热现象 介质损耗角 tg 是所有应用于交变电场中电介质的重要品质指标之一 介质损耗越小越好 37 电介质的介质损耗 电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短 称为瞬时极化 在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数 s 瞬时极化与交变电场完全同步 其极化强度与电场间没有相位差 缓慢极化需要经过一段时间才能达到 相应电场下的最大极化值 缓慢极化强度与电场之间存在相位差 偶极子取向极化 离子松弛极化等建立的时间较长 称为缓慢极化 也称弛豫极化 38 介质的几何电容的充电所造成的电容电流 不损耗能量 由各种极化的建立所造成的电流 损耗称为极化损耗 介质电导 漏导 产生电流做功产生热 称为漏导损耗 也称电导损耗 在直流电场下 介质损耗率取决于材料的电导率 在交变电场下 介质损耗不仅与自由电荷的电导有关 还与缓慢极化过程 频率有关 影响损耗的因素 损耗与内部电流有关 包括 39 电子与离子位移极化为瞬时极化 与交变电场完全同步 其极化强度与电场间没有相位差 无损耗 在交变电场下 其他缓慢极化需要经过一段时间才能达到相应最大极化值 缓慢极化强度与电场之间存在相位差 有损耗 随着极化过程不同 分2种情况 随着交变电场频率的不同 分3种情况 频率很低 各种极化的建立跟得上电场的变化 介质的极化响应同静电场情形 无损耗 频率极高 弛豫极化完全来不及建立 不必考虑 瞬时极化仍同静电场情形 无损耗 介于中间 出现极化损耗 介电常数随电场频率变化 40 1 电介质的电导 电介质的电导和击穿 实际电介质中或多或少地存在着一定量的自由带电粒子 在不高的外电场下 这些载流子定向迁移 形成很小的电流 称为漏导电流 若电介质中正负载流子的浓度相同 均为n 每个载流子的带电量为q 则介质中的电流密度为 电导率和电阻率直接表征了介质绝缘性能的优劣 电场不高时 电导率与电场无关 提高介质的绝缘性 减少载流子数 降低迁移率 41 2 电介质的击穿 当电场强度相当高时 电导率随E升高迅速增加 若电场继续升高 介质的电导将突然急剧增加 电介质的绝缘性被破坏 几乎变成导体 称为电击穿 击穿的主要形式 电击穿 电介质的结构直接被电场力所破坏 本质是在强电场下 固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子 这些电一方面在外电场下被加速 获得动能 另一方面与晶格振动相互作用 把电场的能量传递给晶格 在一定的温度和场强下平衡 固体有稳定的电导 当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格的能量时 电子的动能越来越大 至电子能量大到与晶格碰撞能产生电离时 自由电子数急剧增加 电导进入不稳定阶段 发生击穿 42 2 电介质的击穿 发生电击穿时的临界电压称为击穿电压 相应的临界电场强度称为抗电强度 Ep 抗电强度表征了电介质承受电场作用能力的高低 抗电强度有时也称 介电强度 击穿强度 43 热击穿 由于电介质材料的介质损耗导致电介质发热而被破坏 本质是处于电场中的介质 由于其中的受热 当外加电压足够高时 可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态 若发出的热量比散去的多 介质温度将越来越高 直到出现永久性损坏 电化学击穿 由于外加电压的作用 致使电介质内部发生化学变化而引起击穿 3 击穿的复杂性 介质的击穿是非常复杂的过程 它不仅与介质的结构和组成密切相关 同时还与实验条件有关 如温度 湿度 加压速度 式样形状 试样厚度 电极形状等 并且电击穿和热击穿往往是同时发生的 很难截然区分开来 此外电介质还可能发生电化学击穿 即固体电介质中发生缓慢的电化学反应使其电导增加 介质的温度上升而击穿 电化学击穿最终形式是热击穿 44 介电强度 定义 当电场强度超过某一临界时 介质由介电状态变为导电状态 称介电强度的破坏 或介质的击穿 相应的临界电场称为介电强度或击穿强度 介质击穿的主要形式 热击穿电击穿电化学击穿 特点 一种集体现象 间接作用 45 电介质材料的非电性能 1 热稳定性 介电常数温度系数 热稳定性 在温度变化时 电介质材料的电参数和其他物理量的稳定程度 以及长期在高温下工作和温度反复冷热循环变化的情况下 电介质材料不改变其介电 机械及物理化学性能的能力 又称温度稳定性 温度系数 温度每变化一度时 电介质材料的物理参量的相对变化率 温度系数在10 7 10 6 的材料 被认为是高稳定性的 线膨胀系数 温度每改变1 时 其长度的变化和它在0 时长度之比 46 2 耐电弧性 3 耐电晕性 电介质材料的耐寒性 导热性 化学性能 吸水性 机械性能和抗生物性能等非电性能在电介质材料的使用过程中也会起到相当重要的作用 电弧是由于电场过强 气体发生电崩溃而持续形成等离子体 使得电流通过了通常状态下的绝缘介质 例如空气 的现象 耐电弧性用来评价绝缘材料经受电弧作用后的绝缘性能 材料在电晕放电电流 约10 9 10 6A 作用下缓慢破坏 原因在于电晕放电产生的氧原子 氧离子及氧化氮等对材料进行氧化 电晕放电是高压带电体附近产生空气的局部放电 耐电晕性 绝缘材料经受电晕放电作用能够抵抗质量下降的性质 47 二 电介质的分类 按材料 无机电介质 云母 玻璃 陶瓷等无机材料 有机电介质 矿物油 纸 高分子聚合物等有机材料 按物质的聚集态 气体电介质 空气 液体电介质 电容器油 固体电介质按组成物质原子排列的有序化程度 晶体电介质 石英晶体 陶瓷晶体 非晶体电介质 玻璃 塑料 一些非晶体陶瓷 48 二 电介质的分类 按分子电极性 非极性电介质 聚四氟乙烯薄膜 变压器油 极性电介质 纤维素聚氯乙烯薄膜 介质成分均匀度 均匀电介质 聚苯乙烯 非均匀电介质 电容器 聚苯乙烯薄膜复合介质 其他 块状介质膜状介质 49 问题 什么叫电介质 什么是介质的极化 简述介电常数的物理意义 介质的极化有哪几种常见的形式 什么是瞬时极化 什么是缓慢极化 在交变电场的频率变动过程中 各种极化机制如何响应 50