材料物理第六章精选PPT.ppt

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1、1第1页，此课件共94页哦 介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，在工程应用中，常在需要将电路中具有不同电位的导体彼此隔开的地方使用，就是利用介质的绝缘特性，也就是应用材料的介电性能。这一类材料总称为这一类材料总称为电介质电介质。比较常见的介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料，但两者是有区别的，好的介电材料一定是好的绝缘材料，但好的绝缘材料就不一定是好的介电材料了。电介质物理主要研究电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。2第2页，此课件共94页哦6.1.2电介质的分类电介质的分类（1）按物质组成特性）按物质组成特性：无机电

2、介质（如云母、玻璃、陶瓷等）有机电介质（如矿物油、纸、有机高分子聚 合物等）（2）按物质的聚集态）按物质的聚集态：气体介质（空气）液体介质（电容器油）固体介质（涤纶薄膜）（3）按物质原子排列的有序化）按物质原子排列的有序化：晶体电介质（石英晶体）长程有序 非晶态电介质（玻璃塑料）短程有序3第3页，此课件共94页哦（4）工程应用）工程应用：极性电介质（纤维素、聚氯乙烯薄膜）中性电介质（变压器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均匀度）按均匀度：均匀电介质（聚苯乙烯）非均匀电介质（电容器纸聚苯乙烯薄膜复合介质）分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一在某一种物质共同属性的基础之上，以便总结出宏观介电

3、性能与微观材料结构、组成之间相互关联的规律。4第4页，此课件共94页哦 6.1.3 电介质的四大基本常数电介质的四大基本常数（1）介电常数（电极化）介电常数（电极化）指以电极化方式传递、存储或记录电的作用。（2）电导电导指电介质在电场作用下存在泄漏电流。（3）介电损耗介电损耗指电介质在电场作用下存在电能的损耗。（4）击穿击穿指在强电场下可能导致电介质的破坏。四个基本特性各有其基本理论。5第5页，此课件共94页哦 6.1.4电介质理论电介质理论 电介质理论包括电介质理论包括：（1）电极化响应理论）电极化响应理论 （2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论 （3）

4、唯象理论）唯象理论：（用电介质的特征函数描述）从物理学的角度论述与介电有关的各种效应，建立统一的唯象理论热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间的关系）。（4）微观理论）微观理论：主要介绍晶格振动和声子统计方面的知识。（5）铁电理论）铁电理论：在下一章中讲。6第6页，此课件共94页哦 电极化响应理论包括电极化响应理论包括：（a）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机制；（b）洛伦兹的有效场；（c）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）；（d）介电驰豫；（e）谐振吸收和色散；（f）电极化的非线性效应等。7第7页，此课件共94页哦 6.2电介质的极化电介质的极化 材料可按其对外电场的响应方式分为两类

5、，一类以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，这类材料称为导电材料导电材料。另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为介电材料。在普通物理和电工学中已经了解到电容的意义，它是当两个邻近导体加上电压后具有存储电荷能力的量度，即：C=Q/V8第8页，此课件共94页哦 一个平板真空电容器的电容为 式中：Q0电容器极板上感应产生的电荷；V施加在电容器两极板上的电压；q单位面积电荷；0真空介电常数，8.8510-12 E极板间的电场强度；d平板间距；A极板面积。从上式可以得到：9第9页，此课件共94页哦 令 Q0/A=D0，代表极板上的表面电荷密度；V

6、/d=E，代表极板间的电场强度。则 D0=0 E 法拉第（M.Faraday）发现，当一种材料插入两平板之间后，平板电容器的电容增加。增加后的电容为 C=r C0 =r0 A/d=A/d 式中：r相对介电常数；介电材料的电容率，或称介电常数称介电常数。同理：D =E10第10页，此课件共94页哦 即 D=D0+Q/A Q极板上增加的感应电荷 Q/A=P 称为极化强度 则：P =0（r1）E 由此可见由此可见：（1）电介质的相对介电常数是介质分子中分子极化程度的宏观量度。（2）电介质在电场作用下极化程度愈高，其相对介电常数便愈大。11第11页，此课件共94页哦 介电系数是综合反映介质内部电极化行

7、为的介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。一般电介质的值都在一个主要的宏观物理量。一般电介质的值都在10以下，金红石可达以下，金红石可达110，而铁电材料的值可达到，而铁电材料的值可达到104数量级。高介电材料是制造电容器的主要材数量级。高介电材料是制造电容器的主要材料，可大大缩小电容器的体积。陶瓷、玻璃、聚料，可大大缩小电容器的体积。陶瓷、玻璃、聚合物都是常用的电介质，表合物都是常用的电介质，表6-1中列出了一些玻中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在室温下的相对介电常数。需璃、陶瓷和聚合物在室温下的相对介电常数。需要说明的是，外加电场的频率对一些电介质的介要说明的是，外加电

8、场的频率对一些电介质的介电常数是有影响的，特别是陶瓷类电介质。电常数是有影响的，特别是陶瓷类电介质。12第12页，此课件共94页哦13第13页，此课件共94页哦14第14页，此课件共94页哦 电介质的极化有电介质的极化有3种主要基本过程种主要基本过程：（极化：（极化的机制）的机制）（1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化（电子位移极化）；（2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化（离子位移极化）；（3）分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。6.2.1电子位移极化电子位移极化 在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位

9、移极化电子位移极化。15第15页，此课件共94页哦 在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。在电场带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。在电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发生了变化作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程），中性分子则转化为而使正、负电荷中心分离的物理过程），中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图6.1所示。所示。图图6.1 电子云位移

10、极化示意图电子云位移极化示意图(a)E=0 (b)E016第16页，此课件共94页哦电子位移极化的性质具有一个弹性束缚电荷在强电子位移极化的性质具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中表现出来的特征。依据经典弹性振动理迫振动中表现出来的特征。依据经典弹性振动理论可以计算出电子在交变电场中的极化率为：论可以计算出电子在交变电场中的极化率为：（6-1）当当趋近于零时，可得到静态极化率趋近于零时，可得到静态极化率 （6-2）17第17页，此课件共94页哦 由式（由式（6-1）和式（）和式（6-2）可见，电子的极化率依赖于交）可见，电子的极化率依赖于交变电场频率，极化率与频率的关系反映了极化惯性。静态极变电场

11、频率，极化率与频率的关系反映了极化惯性。静态极化率可由共振吸收光频（紫光）测出。在光频范围内，电子化率可由共振吸收光频（紫光）测出。在光频范围内，电子对极化的贡献总是存在的，而其他极化机构由于惯性跟不上对极化的贡献总是存在的，而其他极化机构由于惯性跟不上电场的变化，因而此时的介电常数几乎完全来自电子极化率电场的变化，因而此时的介电常数几乎完全来自电子极化率的贡献。的贡献。利用玻尔原子模型，可具体估算出利用玻尔原子模型，可具体估算出e 的大小：的大小：（6-3）式中式中0为真空介电常数，为真空介电常数，R为原子（离子）的半径。可见，电子为原子（离子）的半径。可见，电子极化率的大小与原子（离子）的

12、半径有关。极化率的大小与原子（离子）的半径有关。18第18页，此课件共94页哦 以以最最简简单单的的氢氢原原子子为为例例，氢氢原原子子的的电电子子极极化化率率为为7.5210-41。式式（6-3）不不适适用用于于较较复复杂杂的的原原子子，但但是是可可以以肯肯定定，当当电电子子轨轨道道半半径径增增大大时时，电电子子位位移移极极化化率率会会随随之之很很快快增增大大。在在元元素素周周期期表表中中，对对于于同同一一族族的的原原子子，电电子子位位移移极极化化率率自自上上而而下下依依次次增增大大；在在同同一一周周期期中中的的元元素素，原原子子的的电电子子位位移移极极化化率率自自左左向向右右可可以以增增大大

13、也也可可以以减减少少，这这是是因因为为虽虽然然轨轨道道上上电电子子数数目目增增多多，但但是是轨轨道道半半径径却却可可能能减小，结果要看哪个效应占优势。减小，结果要看哪个效应占优势。19第19页，此课件共94页哦 电子位移极化存在于一切气体、液体及固体电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：介质中，具有如下特点：（1）形成极化所需时间极短（因电子质量极）形成极化所需时间极短（因电子质量极小），约小），约10-15s，故其不随频率变化；，故其不随频率变化；（2）具有弹性，撤去外场正负电荷中心重合，）具有弹性，撤去外场正负电荷中心重合，没有能量损耗；没有能量损耗；（3）温度对其影

14、响不大，温度升高，略为下）温度对其影响不大，温度升高，略为下降，具有不大的负温度系数。降，具有不大的负温度系数。20第20页，此课件共94页哦6.2.2离子位移极化离子位移极化 在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。但这些离子，在电场平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。但这些离子，在电场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动，正、负离子发生相

15、对位移，形成感应偶极电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。这就是离子位移的极化。矩。这就是离子位移的极化。也可以理解为离子晶体在也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。图如此。图6.2所示是位移极化的简化模型。所示是位移极化的简化模型。21第21页，此课件共94页哦图图6.2 离子极化示意图离子极化示意图 22第22页，此课件共94页哦 与电子位移极化类似，在交变电场作用下，与电子位移极化类似，在交变电场作用下，由正、负离子的位移可导出离子位移极化率由正、负离子的位移可导出离子位移极化率 （

16、6-4）可见，离子位移极化和电子位移极化的表达式类可见，离子位移极化和电子位移极化的表达式类似，都具有弹性偶极子的极化性质。似，都具有弹性偶极子的极化性质。0可由晶格可由晶格振动红外吸收频率测量出来。这里两种离子的相振动红外吸收频率测量出来。这里两种离子的相对运动，就是晶格振动的光学波。对运动，就是晶格振动的光学波。23第23页，此课件共94页哦以离子晶体的极化为例，每对离子的平均位移极以离子晶体的极化为例，每对离子的平均位移极化率为：化率为：（6-5）式（式（6-5）中，）中，为晶格常数，为晶格常数，A为马德隆常数，为马德隆常数，n为电子层斥力指数，对离子晶体为电子层斥力指数，对离子晶体n=

17、711，因此，因此离子位移极化率的数量级约为离子位移极化率的数量级约为10-40。24第24页，此课件共94页哦 离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：（1）形成极化所需的时间极短，约）形成极化所需的时间极短，约10-13s，故一，故一般可以认为与频率无关；般可以认为与频率无关；（2）属弹性极化，几乎没有能量损耗；）属弹性极化，几乎没有能量损耗；（3）温度升高时离子间的结合力降低，使极化）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，使程度增加，但离子的密

18、度随温度升高而减小，使极化程度降低，通常前一种因素影响较大，故一极化程度降低，通常前一种因素影响较大，故一般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有增强的趋势。增强的趋势。25第25页，此课件共94页哦 6.2.3固有电矩的转向极化固有电矩的转向极化 电电介介质质中中的的电电偶偶极极子子的的产产生生有有两两种种机机制制：一一是是产产生生于于“感感应应电电矩矩”，二二是是产产生生于于“固固有有电电矩矩”。前前者者是是在在电电场场的的作作用用下下，才才会会产产生生，如如电电子子位位移移极极化化和和离离子子位位移移极极化化；后后者者存存在在于于极极性性电电介

19、介质质中中，本本身身分分子子中中存存在在不不对对称称性性，具具有有非非零零的的恒恒定定偶偶极极矩矩，没没有有外外电电场场作作用用时时，在在固固体体中中杂杂乱乱无无章章地地排排列列，宏宏观观上上显显示示不不出出它它的的带带电电特特征征；如如果果将将该该系系统统放放入入外外电电场场中中，固固有有电电矩矩将将沿沿电电场场方方向向取向的过程被称为取向极化或转向极化。取向的过程被称为取向极化或转向极化。26第26页，此课件共94页哦取向极化过程中，热运动（温度作用）和外电场取向极化过程中，热运动（温度作用）和外电场是使偶极子运动的两个矛盾方面，偶极子沿外电是使偶极子运动的两个矛盾方面，偶极子沿外电场方向

20、有序化将降低系统能量，但热运动破坏这场方向有序化将降低系统能量，但热运动破坏这种有序化，在二者平衡条件下，可以得到偶极子种有序化，在二者平衡条件下，可以得到偶极子取向极化率为：取向极化率为：（6-6）式中，式中，p0为无电场时偶极子固有电矩，为无电场时偶极子固有电矩，k为玻尔为玻尔兹曼常数，兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。27第27页，此课件共94页哦对于一个典型的偶极子，对于一个典型的偶极子，p0 e10-10，因此取向极化率约为，因此取向极化率约为2 10-38，比电子位移极化率要高两个数量级。固有电矩的取向，比电子位移极化率要高两个数量级。固有电矩的取向极化具有如下特点：极化具有

21、如下特点：（1）极化是非弹性的；）极化是非弹性的；（2）形成极化需要的时间较长，为）形成极化需要的时间较长，为10-1010-2s，故其与频率，故其与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小；有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小；（3）温度对极性介质的有很大影响，温度高时，分子热运）温度对极性介质的有很大影响，温度高时，分子热运动剧烈，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极性气动剧烈，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极性气体介质常具有负的温度系数，但对极性液体、固体的在低温体介质常具有负的温度系数，但对极性液体、固体的在低温下先随温度的升高而增加，当热运

22、动变得较强烈时，又随温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，又随温度的上升而减小。度的上升而减小。28第28页，此课件共94页哦 取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，带有正、负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离子带有正、负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中晶体中“偶极子偶极子”，在外电场作用下也可发生取，在外电场作用下也可发生取向极化。向极化。在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的取向极化。在非晶态固体、聚合

23、化和固有电矩的取向极化。在非晶态固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他更为复杂的微观极化机制。例如：松弛极化、其他更为复杂的微观极化机制。例如：松弛极化、空间电荷极化和自发极化等。空间电荷极化和自发极化等。29第29页，此课件共94页哦30第30页，此课件共94页哦图图6.4各种极化频率范围及其对介电常数的贡献各种极化频率范围及其对介电常数的贡献 31第31页，此课件共94页哦 6.3变动电场中电介质行为及介质损耗变动电场中电介质行为及介质损耗 6.3.1 复介电常数复介电常数在变动的电场下，上面讲的的静态介电常数不再在变动的电场下，

24、上面讲的的静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数适用，而出现动态介电常数复介电常数，下面复介电常数，下面以平板电容器为例说明复介电常数。以平板电容器为例说明复介电常数。一个在真空中的容量为一个在真空中的容量为 的平行平板电容的平行平板电容器，如果在其两个极板上施加角频率为器，如果在其两个极板上施加角频率为的正弦的正弦交变电压交变电压 ，则在电极上出现电荷，则在电极上出现电荷 ，并且与外电压同相位。，并且与外电压同相位。32第32页，此课件共94页哦该电容上的电流为：该电容上的电流为：（6-7）式中，式中，虚因子，表示虚因子，表示I与与V有有90相位差，相位差，如图如图6.5所示。所示。33第

25、33页，此课件共94页哦当两极间充以非极性的完全绝缘的材料时，当两极间充以非极性的完全绝缘的材料时，则电，则电流变为：流变为：（6-8）它比它比I0大，但与外电压仍相差大，但与外电压仍相差90相位。相位。如果试样材料是弱导电性的，或是极性的，或兼有此两种如果试样材料是弱导电性的，或是极性的，或兼有此两种特性，那么电容器不再是理想的，电流与电压的相位不恰特性，那么电容器不再是理想的，电流与电压的相位不恰好相差好相差90。这是由于存在一个与电压相位相同的很小的。这是由于存在一个与电压相位相同的很小的电导分量电导分量GV，它来源于电荷的运动。如果这些电荷是自由的，它来源于电荷的运动。如果这些电荷是自

26、由的，则电导则电导G实际上与外电压频率无关；如果这些电荷是被符号相实际上与外电压频率无关；如果这些电荷是被符号相反的电荷所束缚，如振动偶极子的情况，则反的电荷所束缚，如振动偶极子的情况，则G为频率的函数。为频率的函数。34第34页，此课件共94页哦这时，可以把实际电容器的电流这时，可以把实际电容器的电流I分解为两个电流分量分解为两个电流分量I1和和I2，见图，见图6.5，其中，其中，I1的相位角超前于电压的相位角超前于电压90，这部分电流，这部分电流不损耗功率，称为无功电流；不损耗功率，称为无功电流；I2与电压同相位，该电流是损与电压同相位，该电流是损耗功率的，故称为有功电流。这两个电流分量与

27、电压之间的耗功率的，故称为有功电流。这两个电流分量与电压之间的关系可以用下面的式子表示：关系可以用下面的式子表示：（6-9）式中式中G称为介质的电导，这个电导并不一定代表由于载流子迁移称为介质的电导，这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。器上的能量部分地消耗为热的物理过程。35第35页，此课件共94页哦把把,（其中，（其中，S为极板面积，为极板面积，d为介质厚度，为介质厚度，为电导率）代入式（为电导率）代入式（6-9），即可），即可求得电流密度与材料的电导

28、率求得电流密度与材料的电导率、介电系数、介电系数 之间之间的关系：的关系：（6-10）式中，第一项式中，第一项 称为位移电流密度，称为位移电流密度，第二项第二项 称为传导电流密度。称为传导电流密度。36第36页，此课件共94页哦由 定义复介电常数 ，即 （6-11）式中为绝对介电常数。由于电导（或损耗）不完全由自由电荷产生，也由束缚电荷产生，那么电导率本身就是一个依赖于频率的复变量，所以 的实部不是严格地等于，虚部也不是精确地等于 。37第37页，此课件共94页哦复介电常数最普遍地表示式是：复介电常数最普遍地表示式是：（6-12）这里这里 是依赖于频率的量。是依赖于频率的量。损耗角损耗角由下式

29、定义：由下式定义：（6-13）则电导率为则电导率为 （6-14）式中，式中，仅与介质有关，称为介质的损耗因仅与介质有关，称为介质的损耗因子，其大小可以作为绝缘材料的判据。子，其大小可以作为绝缘材料的判据。38第38页，此课件共94页哦 6.3.2变动电场中介质损耗：变动电场中介质损耗：（1）在交变电压作用下（角频率=2f），理想电容器中的电流超前于电压一个相角/2，也就是电容器中的介质不吸收功率，没有损耗。（2）同理，充填理想电介质的电容器在交变电压作用下（角频率=2f），其电流也超前于电压一个相角/2，也就是电容器中的介质也不吸收功率，没有损耗。（3）在实际中，电介质平板电容器的总电流包括了

30、三个部分：由理想的电容充电所造成的电流Ic；电容器真实电介质极化建立的电流Iac；电容器真实电介质漏电电流Idc。总电流超前电压（90）度，其中称为损耗角。39第39页，此课件共94页哦 6.4 极化驰豫极化驰豫 只有电子位移极化可以认为是瞬时完成的，其它都需时间，这样在交流电场作用下，电介质的极化就存在频率响应问题。通常把电介质完成极化所需要的时间称为驰豫时间驰豫时间（也叫松弛时间）。极化驰豫极化驰豫就是电介质完成极化所需的时间。6.5动态介电常数动态介电常数 主要研究动态介电常数与电场频率和驰豫时间的关系。40第40页，此课件共94页哦 （1）与频率与频率的关系的关系 a）当外电场频率很低

31、，介质的各种极化机制都能跟上电场的变化，此时不存在极化损耗，相对介电常数r最大。介质损耗主要由电介质的漏电引起，损耗功率P与频率无关。b）当外电场频率增加至某一值时，驰豫极化跟不上电场变化，r减小，在这一频率范围内，随升高，tan（损耗角斜率）增大，且P 增大。c）当频率提的很高，tan达到最大值，P也达最大。41第41页，此课件共94页哦（2）与驰豫时间与驰豫时间的关系的关系 a）当温度很低时，较大。在低温度范围内，随温度上升，减小，tan（损耗角斜率）增大，且P增大 。b）当温度较高时，较小。随温度上升，减小，tan（损耗角斜率）减小，且P减小 。c）温度持续升高达很高时，离子热振动能很大

32、，离子迁移受热振动阻碍增大，极化减弱，电导急剧上升，故tan也增大。42第42页，此课件共94页哦 6.6固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导与击穿 6.6.1固体电介质的电导固体电介质的电导 如图所示，实际电容器的电流如图所示，实际电容器的电流I超前于电超前于电 压的相角恒小于压的相角恒小于/2，故可将电流，故可将电流I分为两个分分为两个分量，量，I1恰好超前电压恰好超前电压/2（这部分电流不损耗功率，（这部分电流不损耗功率，称为称为无功电流无功电流）。而）。而I2 则与电压同相（这部分则与电压同相（这部分 电流消耗功率，称为电流消耗功率，称为有有 功电流功电流）可写成：可写成：I2=g

33、V 式中式中g称为介质的电导。称为介质的电导。图图6.4 电容器中介质损耗对电电容器中介质损耗对电 流与电压位相关系的影响流与电压位相关系的影响43第43页，此课件共94页哦 这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。44第44页，此课件共94页哦 尽管电介质从其本意来看应该是完全不导电的，或者说，其电阻率应该是无限大的。然而实际上所有电介质在直流 电压作用下总会有微弱 的电流流过（漏电电流

34、漏电电流）同体电介质的漏导电流I 包含了两个组成部分，流过电介质体内的电流 Iv和沿着电介质表面流 动的电流Is，并有 I=Iv+Is，如图6.8所示。图6.8 固体电介质的 漏导电流Iv和Is45第45页，此课件共94页哦 电介质的表面电导与材料的性质、表面状态、周围的环境等有关。测量固体电介质的体积电导和表面电导时，需要将体积漏电电流和表面漏电电流分离开来。在实际测量时，采用一个附加电极来分离Iv和Is。在恒定电压的作用下，流过固体电介质的电流是时间的函数。如果直接采用测得的电流来计算电导率和电阻率，则其值也是时间的函数，增加了问题的复杂性。当电压施加到材料上时，46第46页，此课件共94

35、页哦 流过材料的电流很快上升，然后或快或慢地逐渐下降，最后达到一个稳定值，不再随时间而变。电流达到稳定的时间因材料不同而不同，一般少于1min，有时长 达数小时或几天。在一般情况下，需要考虑以下几种电流：（1）介质极化的快速响应部分引起的充电电流。这一电流在恒定电压作用下按照时间常数迅速衰减，因此对材料电导过程的研究影响不大。47第47页，此课件共94页哦（2）介质极化的缓慢响应部分引起的充电电流。在许多情况下，这一电流按照指数函数下降，其缓慢极化的时间常数比前一种电流要大得多。在超慢极化过程中，载流子中止在介质内部，以空间电荷的形式贴存在电介质中。（3）吸收电流。是一种充电时随时间缓慢衰减，

36、而在放电时并不可逆的电流。吸收电流把充电时流入的电荷吸收到了介质内部。（4）不随时间而变得漏电电流。只有这一电流才真实反映了贯穿电介质内部的导电过程。48第48页，此课件共94页哦 固体电介质的电导可分成三种固体电介质的电导可分成三种：（1）电子电导电子电导。这种电导是由自由电子和空穴引起的。载流。这种电导是由自由电子和空穴引起的。载流子来自光电效应、电极注入、施主或受主掺杂。子来自光电效应、电极注入、施主或受主掺杂。（2）离子电导离子电导。这种电导的载流子是材料本身的本征离子或。这种电导的载流子是材料本身的本征离子或杂质离子及其空格子；杂质离子及其空格子；（3）表面电导表面电导。前两种电导都

37、是指电介质的体积电导，它是电。前两种电导都是指电介质的体积电导，它是电介质的一个物理特性参数，主要取决于电介质本身的组成、介质的一个物理特性参数，主要取决于电介质本身的组成、结构、杂质含量及电介质所处的工作条件（如温度、气压、结构、杂质含量及电介质所处的工作条件（如温度、气压、辐射等），这种体积电导电流流经整个电介质。除此之外，辐射等），这种体积电导电流流经整个电介质。除此之外，如果流经固体电介质表面的电导电流就成为表面电导电流。如果流经固体电介质表面的电导电流就成为表面电导电流。49第49页，此课件共94页哦 实际固体电介质材料的电导是复杂的，往往实际固体电介质材料的电导是复杂的，往往多种类

38、型的电导同时并存或转化。材料的电导及多种类型的电导同时并存或转化。材料的电导及其规律与材料的化学组成、结构、杂质及环境有其规律与材料的化学组成、结构、杂质及环境有很大的关系。很大的关系。50第50页，此课件共94页哦6.6.1.2电子电导电子电导 电子电导其载流子是电子和空穴，在电介质电子电导其载流子是电子和空穴，在电介质中，价电子将能带填满成满带，还有完全空着的中，价电子将能带填满成满带，还有完全空着的导带，满带与导带之间由禁带隔开。外电场的作导带，满带与导带之间由禁带隔开。外电场的作用只能使电子从能带中的一个能级跃迁到另一个用只能使电子从能带中的一个能级跃迁到另一个能级，不足以使它越过禁带

39、到导带，所以这种形能级，不足以使它越过禁带到导带，所以这种形式的电导表现得比较微弱，只有在一定得条件下式的电导表现得比较微弱，只有在一定得条件下才明显。才明显。51第51页，此课件共94页哦 如在某一温度下，由于电子的热运动，可将一部分电子由满如在某一温度下，由于电子的热运动，可将一部分电子由满带激发到导带上去，同时出现空穴载流子。这样在外电场作用带激发到导带上去，同时出现空穴载流子。这样在外电场作用下，就使得晶体电介质具有一定的电导。然而，在常温下激发下，就使得晶体电介质具有一定的电导。然而，在常温下激发到导带上去的电子是极其微弱的，特别是在固体电介质中，从到导带上去的电子是极其微弱的，特别

40、是在固体电介质中，从满带激发到导带上去的电子微乎其微，可以忽略不计。满带激发到导带上去的电子微乎其微，可以忽略不计。但在实际晶体电介质中，由于杂质的存在，以及晶体中的缺但在实际晶体电介质中，由于杂质的存在，以及晶体中的缺陷、位错等，在禁带中将引入中间能级陷、位错等，在禁带中将引入中间能级杂质能级，接近于导杂质能级，接近于导带。它们在热激发的作用下，容易产生导电的载流子。又如带。它们在热激发的作用下，容易产生导电的载流子。又如含钛陶瓷以银作电极时，高温下将发生以下反应：含钛陶瓷以银作电极时，高温下将发生以下反应：52第52页，此课件共94页哦 （6-12）（6-13）高温时，银将失去电子变成银离

41、子，四价钛高温时，银将失去电子变成银离子，四价钛离子还原成三价钛离子，三价钛离子是不那么稳离子还原成三价钛离子，三价钛离子是不那么稳定的，容易失去一个电子又变回四价钛离子。在定的，容易失去一个电子又变回四价钛离子。在电场作用下，银离子顺电场方向移动，电子逆电电场作用下，银离子顺电场方向移动，电子逆电场方向移动，在电介质中形成电子电导。场方向移动，在电介质中形成电子电导。53第53页，此课件共94页哦 另外，当电子的能量低于阻碍它运动的势垒另外，当电子的能量低于阻碍它运动的势垒高度不很大，而势垒厚度又比较薄（约几十纳米）高度不很大，而势垒厚度又比较薄（约几十纳米）时，在强电场作用下，电子就可能由

42、隧道效应而时，在强电场作用下，电子就可能由隧道效应而穿过势垒后到达导带或阳极，构成隧道电流。金穿过势垒后到达导带或阳极，构成隧道电流。金属电极中具有大量电子，也可能向电介质中发射属电极中具有大量电子，也可能向电介质中发射（或注入），如热电子发射，也可以为电介质提（或注入），如热电子发射，也可以为电介质提供导电载流子。供导电载流子。54第54页，此课件共94页哦 但是以上各种机构提供的电子，在电场不太但是以上各种机构提供的电子，在电场不太强时，数量极少，固体电介质的电子电流是极其强时，数量极少，固体电介质的电子电流是极其微弱的。随着外加电场的增加，杂质能级上的电微弱的。随着外加电场的增加，杂质能

43、级上的电子、隧道效应以及热电子发射等因素的作用加大子、隧道效应以及热电子发射等因素的作用加大了，电子电流才相应地增加。所以固体电介质中了，电子电流才相应地增加。所以固体电介质中的电子电导比离子电导要复杂得多。大部分固体的电子电导比离子电导要复杂得多。大部分固体电介质得电子电导率的温度关系遵循指数规律：电介质得电子电导率的温度关系遵循指数规律：（6-14）55第55页，此课件共94页哦 因因为为导导电电的的电电子子（或或空空穴穴）也也是是从从各各种种不不同同的的电电离离中中心心经经过过热热激激发发而而产产生生的的，并并且且，对对于于过过渡渡元元素素金金属属氧氧化化物物，通通常常它它的的活活化化能

44、能都都比比较较小小，载载流流子子数数又又多多，所所以以，在在低低温温和和室室温温下下，电电子子电电导导常常起起主主要要作作用用，许许多多金金属属氧氧化化物物实实际际上上是是氧氧化化物物半半导导体体的的原原因因也也在在于于此此，这这类类金金属属氧氧化化物物在在传传感器方面的应用就是很好的例子。感器方面的应用就是很好的例子。56第56页，此课件共94页哦 6.6.1.3 固体电介质的离子电导固体电介质的离子电导 离子电导其载流子是正、负离子或离子空位，这是固体离子电导其载流子是正、负离子或离子空位，这是固体电介质中最主要的导电形式。它与电子电导的机理有质的不电介质中最主要的导电形式。它与电子电导的

45、机理有质的不同，传递的不单是电荷，而是构成物质的粒子。在弱电场中同，传递的不单是电荷，而是构成物质的粒子。在弱电场中主要是离子电导，但是对于某些材料，如钛酸钡、钛酸钙和主要是离子电导，但是对于某些材料，如钛酸钡、钛酸钙和钛酸锶等钛酸盐类，在常温下除了离子导电以外还会呈现出钛酸锶等钛酸盐类，在常温下除了离子导电以外还会呈现出电子电导的特性。电子电导的特性。固体电介质按其结构可分成晶体和非晶体两大类，下面固体电介质按其结构可分成晶体和非晶体两大类，下面主要讨论晶体和非晶体无机电介质和高分子非晶材料的高聚主要讨论晶体和非晶体无机电介质和高分子非晶材料的高聚物的离子电导。物的离子电导。57第57页，此

46、课件共94页哦 （1）无机晶体材料电介质的离子电导）无机晶体材料电介质的离子电导 对于无机材料电介质，导电离子的来源主要对于无机材料电介质，导电离子的来源主要有两种：本征（或固有）离子和弱联系离子。有两种：本征（或固有）离子和弱联系离子。晶体的离子电导分为两类，一类是源于晶体晶体的离子电导分为两类，一类是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本点阵中基本离子的运动，称为离子固有电导或本征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子征电导，这种电导是热缺陷形成的，即是由离子自身随着热振动的加剧而离开晶格阵点形成，所自身随着热振动的加剧而离开晶格阵点形成，所以在高温时比较明显，因此通常称为高

47、温电导。以在高温时比较明显，因此通常称为高温电导。58第58页，此课件共94页哦 少数离子热运动离开原来的位置，如果进入少数离子热运动离开原来的位置，如果进入点阵间形成填隙离子，同时产生空位的缺陷称为点阵间形成填隙离子，同时产生空位的缺陷称为弗伦克尔缺陷；如果到达晶体表面，晶体内部只弗伦克尔缺陷；如果到达晶体表面，晶体内部只留下离子空穴，这种缺陷称为肖脱基缺陷。显然，留下离子空穴，这种缺陷称为肖脱基缺陷。显然，离子晶体的本征电导的载流子浓度与晶体结构的离子晶体的本征电导的载流子浓度与晶体结构的紧密程度和离子半径的大小有关。离子晶体的电紧密程度和离子半径的大小有关。离子晶体的电导率与温度的变化规

48、律与电子电导的类似，满足导率与温度的变化规律与电子电导的类似，满足指数规律。指数规律。59第59页，此课件共94页哦 另另一一类类称称为为弱弱联联系系离离子子电电导导，是是与与晶晶格格点点阵阵联联系系较较弱弱的的离离子子活活化化而而形形成成导导电电载载流流子子，主主要要是是杂杂质质离离子子和和晶晶体体位位错错与与宏宏观观缺缺陷陷处处的的离离子子引引起起的的电电导导，它它往往往往决决定定了了晶晶体体的的低低温温电电导导。如如果果这这种种电电导导源源于于结结合合力力较较弱弱的的杂杂质质离离子子的的运运动动造造成成的的，称称为为杂杂质质电电导导。这这种种电电导导在在非非离离子子晶晶体体中中是是电电导

49、导的的主主要要成成分分。在在离离子子晶晶体体中中低低温温热热缺缺陷陷数数目目很很少少的情况下是低温电导的主要成分。的情况下是低温电导的主要成分。60第60页，此课件共94页哦因此在离子晶体中，考虑到它的本征电导和弱联因此在离子晶体中，考虑到它的本征电导和弱联系电导时，系电导时，随温度变化的关系式可以写成：随温度变化的关系式可以写成：（6-15）第一项表示本征离子电导，第二项表示弱联系离第一项表示本征离子电导，第二项表示弱联系离子电导。由于弱联系离子浓度比本征离子浓度小子电导。由于弱联系离子浓度比本征离子浓度小很多，一般很多，一般 。求对数后，由。求对数后，由 作图，可以求得势垒作图，可以求得势

50、垒U。61第61页，此课件共94页哦 （2）无机玻璃态电介质的离子电导）无机玻璃态电介质的离子电导纯净玻璃的电导一般较小，但如含有少量的碱金纯净玻璃的电导一般较小，但如含有少量的碱金属离子就会使电导大大增加，基本上表现为离子属离子就会使电导大大增加，基本上表现为离子电导。玻璃体的结构比晶体疏松，碱金属离子能电导。玻璃体的结构比晶体疏松，碱金属离子能够穿过大于其原子大小的距离而迁移，同时克服够穿过大于其原子大小的距离而迁移，同时克服一些位垒。玻璃与晶体不同，玻璃中碱金属离子一些位垒。玻璃与晶体不同，玻璃中碱金属离子的能阱不是单一的数值，有高有低，这些位垒的的能阱不是单一的数值，有高有低，这些位垒