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1第第3章章 材料的介电性能材料的介电性能介电材料和绝缘材料是电子与介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中不可缺的功能材料电气工程中不可缺的功能材料23.1 电介质及其极化电介质及其极化3.1.1 平板电容器及其电介质平板电容器及其电介质电容电容：两个临近导体加上电压后存储电：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量的本领的物理量 电容的单位是法拉，简称法，符号是电容的单位是法拉，简称法，符号是F,1F=1C/V 毫法毫法(mF)、微法、微法(F)、纳法、纳法(nF)和皮法和皮法(pF)33.1 电介质及其极化电介质及其极化3.1.2 介电常数介电常数如果介电介质为真空如果介电介质为真空：1）0:常数常数 2）尺寸因素：）尺寸因素：d 和和A-平板间的距平板间的距离和面积离和面积真空介电常数真空介电常数：0=8.8510-12 F.m-1(法拉法拉/米米)43.1 电介质及其极化电介质及其极化在在平平行行板板电电容容器器间间放放置置某某些些材材料料，会会使使电电容容器器存存储储电电荷荷的能力增加，的能力增加，CC0相对介电常数相对介电常数：r介电常数（电容率）：介电常数（电容率）：=0 r(F/m)53.1 电介质及其极化电介质及其极化介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量荷能力的物理量。1）材料因素：）材料因素：材料常数：材料常数 2）尺寸因素：）尺寸因素：d 和和A：平板间的距离和面积：平板间的距离和面积6材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃102-10103.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5钛酸钡1063000刚玉6093.1 电介质及其极化电介质及其极化73 3）电介质的极化：）电介质的极化：在在真真空空平平板板电电容容器器中中，嵌嵌入入某某些些物物质质。加加入入外外电电场场时时，在在正正极极附附近近的的介介质质表表面面感感应应出出负负电电荷荷，负负极极板板附附件件的的介介质质表表面面感感应应出出正正电电荷荷，这这些些电电荷荷为为感感应应电电荷荷，又又因其不可移动，又是因其不可移动，又是束缚电荷束缚电荷。极化：某些物质在电场作用产生束缚电荷极化：某些物质在电场作用产生束缚电荷的现象。的现象。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。介介电电材材料料：放放在在平平板板电电容容器器中中增增加加电电容容的的材料材料，是一类特殊的电介质。3.1 电介质及其极化电介质及其极化83.1 电介质及其极化电介质及其极化例例：一一个个简简单单的的平平行行板板电电容容器器，3kV时时存存10-4C的的电电荷荷，电电介介质质厚厚0.02cm,计计算算使使用用面面积积。（分分真真空空，BaTiO3，云云母母三三种情况，相对介电常数分别为种情况，相对介电常数分别为1、3000和和7）91 1）电电偶偶极极矩矩：带带有有等等量量异异号号电电荷荷并并且且相相距距一一段段距距离离的的荷荷电电质质点点，形形成成电电偶偶极极矩矩n对对于于极极性性分分子子电电介介质质，由由于于分分子子的的正正负电荷中心不重合，存在电偶极矩负电荷中心不重合，存在电偶极矩；n对对于于非非极极性性分分子子电电解解质质，由由于于外外界界作作用用，正正负负电电荷荷中中心心瞬瞬时时分分离离，也也产产生生电偶极距。电偶极距。电偶极子电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构：具有一个正极和一个负极的分子或结构.3.1 电介质及其极化电介质及其极化3.1.3 极化相关的物理量极化相关的物理量102 2）极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电）极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。极化强度极化强度P P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度矩，数值上等于分子表面电荷密度；e e:极化率极化率,不同材料具有不同的值。不同材料具有不同的值。它和实际有效电场有关，实际电场包括它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)(1)外加电场；外加电场；(2)(2)极化极化电荷自身形成的电场电荷自身形成的电场3.1 电介质及其极化电介质及其极化 单位：C/m2113.1 电介质及其极化电介质及其极化可以证明：可以证明：123.1.4 电介质极化的机制：电介质极化的机制：n电介质在电场作用下产生电偶极矩或使已有的电偶极矩体电介质在电场作用下产生电偶极矩或使已有的电偶极矩体现出宏观效果的过程；现出宏观效果的过程；n电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。3.1 电介质及其极化电介质及其极化电子电子原子原子分子分子宏观宏观13-+d+-E 位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。为电子位移极化和离子位移极化。1）电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的）电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个暂时的感应的偶极子。暂时的感应的偶极子。n 这种极化可以在光频下进行，这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10Sn 可逆可逆n 与温度无关与温度无关n 产生于所有材料中产生于所有材料中n电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子(离子离子)的半径有关的半径有关3.1 电介质及其极化电介质及其极化14例：例：500V的电场作用下，的电场作用下，Ni原子的电子云从原子核的电荷原子的电子云从原子核的电荷中心偏离中心偏离10-9nm,Ni为为FCC结构，晶格常数为结构，晶格常数为0.351nm,设金设金属中所有电子对电子极化均有贡献，计算极化强度（属中所有电子对电子极化均有贡献，计算极化强度（Ni的的原子序数为原子序数为28）。）。3.1 电介质及其极化电介质及其极化15 晶晶体体中中负负离离子子和和正正离离子子相相对对于它们的正常位置发生位移，于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩。形成一个感生偶极矩。可逆可逆;反应时间为反应时间为1010-13-13-10-10-12-12S S 温度升高，极化增强温度升高，极化增强 产生于离子结构电介质中产生于离子结构电介质中离子位移极化率：离子位移极化率：+-+-+-+-E2）离子位移极化：）离子位移极化：a为晶格常数；为晶格常数；n为电子层斥为电子层斥力指数，对于离子晶体力指数，对于离子晶体n为为7-113.1 电介质及其极化电介质及其极化16 驰驰豫豫极极化化：外外加加电电场场作作用用于于弱弱束束缚缚荷荷电电粒粒子子造造成成，与与带带电电质质点点的的热热运运动动密密切切相相关关。热热运运动动使使这这些些质质点点分分布布混混乱乱，而而电电场场使使它它们们有有序序分分布布，平平衡衡时时建建立立了了极极化化状态。为非可逆过程。状态。为非可逆过程。3）电电子子驰驰豫豫极极化化 ：由由于于晶晶格格的的热热运运动动，晶晶格格缺缺陷陷，杂杂质质引引入入，化化学学成成分分局局部部改改变变等等因因素素，使使电电子子能能态态发发生生改改变变，导导致致位位于于禁禁带带中中的的局局部部能能级级中中出出现现弱弱束束缚缚电电子子，在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。不可逆；不可逆；反应时间为反应时间为 1010-2-21010-9-9S S；多产生于多产生于Nb,bi,TiNb,bi,Ti为基的氧化物陶瓷中，为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有极大值。随温度升高变化有极大值。3.1 电介质及其极化电介质及其极化173.1 电介质及其极化电介质及其极化4）离子驰豫极化）离子驰豫极化：弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电活化迁移，这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化。场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化。不可逆；反应时间为不可逆；反应时间为 10-210-5S；随温度变化有极大随温度变化有极大值。值。T Ta a极化率极化率 ；q q为离子荷电量；为离子荷电量；为弱离子电场作用下的迁移；为弱离子电场作用下的迁移；185)取取向向极极化化：沿沿外外场场方方向向的的偶偶极极子子数数大大于于和和外外场场反反向向的的偶偶极极子子数数，因因此此电电介介质质整整体体出出现现宏宏观观偶偶极极矩矩。这这种种极极化化与与永永久久偶偶极极子子的的排排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）。列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）。E热运动：无序热运动：无序电电 场：有序场：有序 为无外电场时的均方偶极矩。为无外电场时的均方偶极矩。3.1 电介质及其极化电介质及其极化19（1）在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的；物中是普遍存在的；（2）响应时间响应时间 10-210-10S；（3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的 偶极子是永久性的；偶极子是永久性的；（4）随温度变化有极大值。）随温度变化有极大值。3.1 电介质及其极化电介质及其极化20实际中需要一种驻电体。试从(C2H4)n,(C2H2F2)n,(C2F4)n中选用。由于(C2H4)和(C2F4）团均是对称的，C2H2F2是非对称结构，另外C-F键具有键极性，(C2H2F2)n易发生取向极化，是普通的工业驻电体之一。案例：驻电体材料及其选择。驻电体：能长时间保持极化结构的聚合物为驻极体。3.1 电介质及其极化电介质及其极化2023/1/2421226)空间电荷极化：空间电荷极化：可可动动的的载载流流子子受受到到电电场场作作用用移移动动，受受到到阻阻碍碍而而排排列列于于一一个个物物理理阻阻碍碍前前面时产生的极化。面时产生的极化。物物理理阻阻碍碍：晶晶界界，相相界界，自自由由表表面面，缺陷缺陷。反应时间很长，几秒到数十分钟；反应时间很长，几秒到数十分钟；随温度升高而减弱；随温度升高而减弱；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；3.1 电介质及其极化电介质及其极化23小结：（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。（2）材料的组织结构影响极化机制。（3）外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。离子、取向极化原子种类和键合类型空间电荷极化面缺陷3.1 电介质及其极化电介质及其极化24光学性质电子极化离子极化电磁波谱中可见光的辐射红外波段介电性质空间电荷极化取向极化亚红外波段低频波段1015Hz1012Hz1013Hz1011Hz1012Hz10-3Hz103Hz3.1 电介质及其极化电介质及其极化253.1.5宏观极化强度和微观极化率的关系宏观极化强度和微观极化率的关系(1)作用于分子、原子上的有效电场：作用于分子、原子上的有效电场外加电场E0电介质极化形成的退极化场Ed周围的荷电质点作用形成Ei+-E0EdEi26（2）克劳修斯-莫索堤方程极化强度P可以写为单位体积电介质在实际电场作用下所有电偶极矩的总和单位体积第i种偶极子数目第i种偶极子平均偶极矩荷电质点的平均偶极矩正比于作用于质点上的局部电场局部电场第i种偶极子电极化率27相对介电常数偶极子种类极化率偶极子数目宏观介电常数微观介电机制电子位移极化离子位移极化取向极化空间电荷极化283.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质3.2.1 复介电常数与介质损耗复介电常数与介质损耗1）理想情况）理想情况 对于平板式真空电容器有对于平板式真空电容器有:加上角频率为加上角频率为2f 2f 的交流电压，的交流电压，则有：则有：Q=CQ=C0 0 U U 其回路电流为：其回路电流为：可可见见电电容容电电流流IcIc超超前前电电压压U U相相位位9090度度。对对于于极极板板间间为为相相对对介介电常数电常数r r 的介电材料的介电材料，材料为理想介电质，材料为理想介电质，C=C=r r C C0 0 ，可得可得 I I=r rI IC C 的相位，仍超前电压的相位，仍超前电压9090度。度。293.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质3.2.1 复介电常数与介质损耗复介电常数与介质损耗2）对于实际材料）对于实际材料：存在漏电等因素：存在漏电等因素 降了容性电流降了容性电流IcIc外，还有与电压同相位的电导分量外，还有与电压同相位的电导分量GUGU 则总电流应为这两部分的矢量和则总电流应为这两部分的矢量和 而：而：所以有：所以有：令：令：为复电导率为复电导率则电流密度为：则电流密度为：30IcI总IdcIac非理想电介质充电、损耗和总电流矢量图Ic：理想电容器充电造成的电流；Idc：电介质真实介质漏电流；Iac：真实电介质极化建立的电流3.2.1 复介电常数与介质损耗复介电常数与介质损耗 真实的电介质平板电容器的总电流由：真实的电介质平板电容器的总电流由：（1 1）理想电容充电所造成的电流理想电容充电所造成的电流I Ic c （2 2）电容器真实电介质极化建立的电流电容器真实电介质极化建立的电流I Iacac （3 3）电容器真实电介质漏电流电容器真实电介质漏电流I Idcdc总电流超前电压（总电流超前电压（90-90-），其中），其中为损耗角为损耗角 313.2.1 复介电常数与介质损耗复介电常数与介质损耗3 3）复介电常量：）复介电常量：定义复介电常量定义复介电常量*和和r r*，有：，有：分析前述总电流分析前述总电流：并且：并且：有：有：第第1 1项项:电容充放电过程电容充放电过程 第第2 2项与电压同相位，对应能量损耗部分项与电压同相位，对应能量损耗部分 r r 相对损耗因子，相对损耗因子，=0 0 r r 为介质损耗因子为介质损耗因子323.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质4 4）介质损耗因子：）介质损耗因子：损耗角正切：损耗角正切：是是 频频率率,温温度度,及及材材料料原原子子尺尺度度结结构构的的复复杂杂函函数数，表表示示存存储储电荷要消耗的能量大小。电荷要消耗的能量大小。电介质的品质因数：电介质的品质因数：高频绝缘条件：高频绝缘条件：Q Q越高越好。越高越好。33定义电介质的品质因数：定义电介质的品质因数：电介质在高频绝缘条件下，电介质在高频绝缘条件下，Q越高则极化时损耗的能量越小。越高则极化时损耗的能量越小。瓷料金红石钛酸钙钛酸锶钛酸镁钛酸锆 锡酸钙tan(10-4)4-53-431.7-2.73-43-4瓷料莫来石刚玉瓷滑石瓷镁橄榄石tan(10-4)30-403-57-83-4部分陶瓷的损耗角正切值(f=106HZ,T=273K)部分陶瓷的损耗角正切值(f=106HZ,T=293K)34案例：介电材料的选择和设计案例：介电材料的选择和设计 介电材料是制备电容器的主要材料。选择合适的介电介电材料是制备电容器的主要材料。选择合适的介电材料是制备长寿命高可靠的电容器的基础。选择合适的介电材料是制备长寿命高可靠的电容器的基础。选择合适的介电材料主要考虑的物理性能指标有：介电常数和损耗角正切值。材料主要考虑的物理性能指标有：介电常数和损耗角正切值。前者表征了材料极化能力的大小（放于电容器极板间存储电前者表征了材料极化能力的大小（放于电容器极板间存储电荷能力的大小），后者表征了在交变电场作用下极化时能量荷能力的大小），后者表征了在交变电场作用下极化时能量损耗的大小。可见损耗角正切值是电介质材料选择和相应器损耗的大小。可见损耗角正切值是电介质材料选择和相应器件制备的重要设计指标。件制备的重要设计指标。问题：从莫来石、刚玉瓷、钛酸钙和钛酸锆中选择可以作为问题：从莫来石、刚玉瓷、钛酸钙和钛酸锆中选择可以作为介电材料的物质介电材料的物质。353.2.2）电介质驰豫和频率响应：）电介质驰豫和频率响应：驰豫时间：电介质完成极化所需要的时间。驰豫时间：电介质完成极化所需要的时间。1）德德拜拜方方程程：交交变变电电场场作作用用下下，电电介介质质的的电电容容率率与与电电场场频频率率相相关的：关的：rs为静态或低频下的相对介电常数为静态或低频下的相对介电常数r为光频下的相对介电常数为光频下的相对介电常数36物理意义：物理意义：(1)相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。(2)介电常数与温度有关，温度通过影响弛豫时间介电常数与温度有关，温度通过影响弛豫时间 而影响介电常数而影响介电常数(3)与与tan 随频率变化存在极大值。随频率变化存在极大值。373.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质2）频率响应：）频率响应：在在 交交 变变电电场场频频率率极极高高时时，驰驰豫豫时时间间长长的的极极化化机机制制来来不不及及响响应应，对对总总的的极极化化强强度没有贡献。度没有贡献。383.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质3.2.3 介电损耗分析：介电损耗分析：1）频率的影响：频率的影响：很小时，很小时，0，各种极化机制均跟上电，各种极化机制均跟上电场的变化，不存在极化损耗。介质损耗主场的变化，不存在极化损耗。介质损耗主要由电介质的漏电引起，与要由电介质的漏电引起，与频率频率无关。无关。外加电场的频率增加至某一值时，松驰极外加电场的频率增加至某一值时，松驰极化跟不上电场变化，则随化跟不上电场变化，则随 增加，增加，r减小减小 很小，很小，1,减小减小，tan 减小减小tan 在在 m时有极值时有极值393.2 交变电场下的电介质交变电场下的电介质3.2.3 介电损耗分析：介电损耗分析：2）温度的影响：）温度的影响：(1)(1)温度很低时，温度很低时，较大，此时较大，此时w w2 2 2 21,1,温度升高，温度升高，减小，则减小，则r r 和和tan tan 增加增加(2)(2)温度较高时，温度较高时，较小，此时较小，此时 2 2 2 211 温度升高，温度升高，减小，则减小，则tan tan 减小。减小。电导上升不明显，过一定阶段电导上升不明显，过一定阶段P Pw w减小。减小。(3)(3)温温度度很很高高时时，离离子子振振动动很很大大，离离子子迁迁移移受受热热振振动动阻阻碍碍增增大大，极极化化减减弱弱，r r减减小小，电导急剧上升，故电导急剧上升，故tan tan 也增大。也增大。2023/1/2440