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1、第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,介质的极化 介质的损耗 介电强度 材料的压电性能 材料的铁电性能 材料介电性能测量及应用举例,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,2.2.1 电介质及其极化,一、平板电容器及其电介质,电容：是当两个临近导体加上电压后具有存储电荷能力的量度。,一个平板电容器的电容量C与平板的面积A成正比，而与两平板间的距离d成反比。,介电常数,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,已经证明真空平板电容器的电容：,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,静电场中介质的极化,相对介电常数,反映了电介质材料在静电场中的极化特性。,第二章 材料的电性
2、能,第二节 材料的介电性能,电介质：通常指电阻率大于1010cm 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材料。,介电常数是表征电介质的最基本的参量,在电场作用下建立极化的物质,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,感应电荷,电介质的极化,在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下, 电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。,导体中的自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的
3、形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,二、电解质的极化机制,1、极化相关物理量,注意：铁电体中自发极化的产生是不需要外加电场诱导的，完全是由特殊晶体结构诱发的。,电介质,极性分子电介质,非极性分子电介质,主要差别：是分子的正、负电荷统计重心是否重合，,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,极性分子存在电偶极矩，其电偶极矩为:,极化电荷：是指和外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性。,电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P表示，极化强度P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表
4、示为：,单位为库仑/米2 (C/m2),第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,说明：,(1).真空中 P = 0 ，真空中无电介质。,(2).导体内 P = 0 ，导体内不存在电偶极子。,(3). 电偶极子排列的有序程度反映了介质被极化的程度，排列愈有序说明极化愈烈,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,已经证明，电极化强度就等于分子表面电荷密度，即,P = ,实验证明，电极化强度不仅与所加外电场有关，而且还和极化电荷所产生的电场有关，即,因为,所以,介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,2、电介质极化类型,极化
5、类型,弹性位移极化 （瞬时极化）,取向极化,电子位移极化,空间电荷极化,离子位移极化,驰豫极化,电子驰豫极化,离子驰豫极化,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,3、电介质极化机制,（1）位移极化,电子位移极化：,在外电场作用下，原于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。,根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率：,R为原子半径,响应时间为10-1410-16 S 可见光频段,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,离子位移极化：,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极
6、矩；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。,根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率：,式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数，离子晶体n为710,响应时间为10-1210-13 S ,微波频段,注：只有当分子结构有极化时，离子的位移极化才表现的较为突出，在无极性分子中离子位移极化率很小，这时仍以电子极化为主。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,（2）驰豫（松弛）极化,当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热弛豫(松弛)极化。,特点：,与热运动
7、有关。 极化需要克服一定的势垒，因而需要消耗一定的能量。是非弹性的。 不可逆 带电质点热运动距离远。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,电子驰豫极化eT:,由于晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成所谓弱束缚电子。外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性，这就形成了极化状态，称之为电子弛豫极化。,响应时间为10-210-9 S ,离子驰豫极化aT:,在玻璃态物质中，结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，自身能量较高，易于活化迁移的弱联系离子。在外加电场作用下可以从一平衡位置移动到另一平衡位置，形成极化状态，称为离
8、子驰豫极化。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,离子热弛豫极化率的大小：,为弱离子在电场作用下的迁移量,响应时间为10-210-5S ，无线电频率。,（3）取向（转向）极化,指极性介电体的分子偶极矩在外电场作用下，沿外施电场方向转向，而产生宏观偶极矩的极化，这种称为取向极化,介质中存在固有电矩,响应时间为10-210-10S ，无线电频率。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,（4）空间电荷极化,离子多晶体的晶界处、晶体缺陷、微区夹层与不均质结构等存在空间电荷，这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从
9、而表现为极化。,大约几秒到数十分钟，甚至数十小时。,只对直流和低频下的强度有贡献,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,4、宏观极化强度与微观极化率关系,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,退极化场Ed,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,2.2.2 介电损耗,当介电质受交变电场作用时，由于偶极子取向需要克服分子间的摩擦力等原因，往往会发生电能转化为其他形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间损耗的电能叫介电损耗,一、复介电常数及损耗因子,其回路电流,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,正玄电压下的理想平板电容器,第二章
10、 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,真实的电介质平板电容器的总电流，包括了三个部分：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流Ide,如果以复数形式表示交变电场强度和电通量密度（电位移），则有,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,由式 得到电介质介电常数的复数形式,式中， 为介电常数的实部，它与电介质在每周期内储存的最大电能有关； 为介电常数的虚部，与电介质在每一周期内以热的形式消耗的电能有关。,复介电常数的实部 相当于静介电常数 ，它使电容电流增大（因为大于1），其虚部 则表示
11、了介电损耗的大小，通常称之为介电损耗因子。介电损耗也可用损耗角的正切 表征，即,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,此相移相当于所加电压与感应电流之间的时间滞后，它引起交流电路中的损耗电力和能量耗散。损耗因子是电介质作为绝缘材料是否有用的基本判据。为此，最好是有低的介电常数，特别是很小的损耗角（对于理想电容器， ）。对于要求以最小的物理空间中获得高电容量的场合，必须用高介电常数的材料。不过，对这些应用来说，具有低的损耗因子也是同样重要的。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,2.2.3 介电强度（介电击穿强度）,电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘
12、性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。,击穿场强电介质所能承受的不被击穿的最大场强。 击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,影响材料介电强度的因素,介质结构的不均匀性 晶相、玻璃相、气孔等 材料中气泡的作用 气泡本身抵抗电场强度比固体介质低很多 材料表面状态与边缘电场 固体介质表面常常发生介质表面放电 电极的边缘常发生电场畸变，使边缘局部电场强度升高，导致击穿电压下降。,2
13、.2.3 材料的压电性,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859.,Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906,长期从事晶体方面的研究， 做出许多卓有成效的工作,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,Born in Warsaw on November 7, 1867,Marie died of leukaemia in July, 1934,1894年，福克特（W. Voigt）更严谨地定出晶体结构
14、与压电性的关系，他发现32种晶类（class）具有压电效应。 第一次世界大战期间，蓝杰文（P. Langevin）第一次利用石英晶体制成了声纳，用于探测海洋深度。此后，石英振荡器技术开始受到重视，并逐渐扩大了应用领域。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,压电性就是指某些晶体材料按所施加的机械应力成比例地产生电荷的能力。,一、压电效应（Piezoeletric effect),正压电效应-当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。,逆压电效应-石英晶体
15、在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。,在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂
16、直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。,1. 石英晶体的压电性,如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,第二章 材料的电性能,第二节 材料的介电性能,石英作为压电晶体的代表，最早获得了实际应用。那么，石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷呢？,受到外力作用，石英晶体表面带上电荷,石英晶体产生压电效应的微观机理,硅氧离子的排列示意图,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如图（
