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1、第三章 材料的物性,第一节 材料的电性质,五、绝缘体,（一）体电阻率和面电阻率,（二）电介质,电介质极化机制：（1）、分子的极化；,（3)、 空间电荷极化。,（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；,1、电介质极化,（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；,(2)、（电子、离子）弛豫极化,弛豫极化 松弛极化,弛豫 松弛：需要时间的过程,所有极化都需要时间、都是弛豫的。,电子、离子的弛豫极化：极化建立时间较长、不同于电子、,离子位移极化的一种极化,材料中弱联系（受束缚较弱）的电子、离子的极化过程,弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比,电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒,极化建立时间比
2、位移极化大得多,弛豫极化是不可逆的,A、电子弛豫极化,晶格缺陷处的原子、杂质原子的价电子,晶格缺陷、杂质原子在禁带中引入的局域能级、杂质能级,吸收较小的能量可由较低的局域或杂质能级激发到较高的局域或杂质能级 、甚至导带,沿电场的方向可做短距离运动、过程不可逆,具有电子弛豫极化材料通常具有一定的电子电导,常出现于铌、铋、钛氧化物陶瓷中,电子弛豫极化建立时间：,交变电场的频率高于 时，这种极化不存在,弛豫极化电子：,弱束缚电子,B、离子弛豫极化,缺陷区弱联系离子势能,强联系离子: 完整离子晶体中处于正常节点、能量最低、最稳定,极化时只能在平衡位置附近产生弹性位移,弱联系离子:,离子自身能量较高，易
3、于活化、迁移,晶体中的杂质、缺陷区域的离子或玻璃态物质中结构松散的离子,极化时可从一个平衡位置移到另一个平衡位置,平衡位置,正常区强联系离子势能,电场撤去后离子不能回到原位置,过程非可逆性,迁移距离可达离子晶格的数量级,离子运动势垒,位移极化,离子弛豫极化率：,离子电荷,离子在电场作用下的位移,热力学温度,离子运动阻力大,离子弛豫极化建立时间：,交变电场的频率高于 时，这种极化不存在,跟不上电场的变化,离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级,(3)、空间电荷极化,材料中不仅包含完整晶体部分、缺陷部分，还可能有从外部注入的空间电荷,混乱分布的空间电荷在外电场作用下趋于有序化：,正、负空间电荷分别
4、顺、逆电场的方向运动,积聚在材料中的晶界、晶格缺陷等处,形成与外场方向相反的很强的电场,空间电荷极化,空间电荷热运动、扩散加剧，极化减弱,空间电荷极化建立时间：很长、几秒至几十分或更长,空间电荷极化仅在直流电场或低频电场下存在,2、介电常数（电容率）,真空,真空平行板电容器,电容的定义：,与几何尺寸的关系：,极板面积；,极板间距,容电本领,极板间的场强：,电位移矢量大小：,极板电荷面密度：,介质平行板电容器,介质极化在表面产生的束缚电荷,极板上的电荷,（极板间的电压不变）,电容：,电介质的介电系数,介质的极化强度,介质的极化强度：,介质单位体积内电偶极矩的矢量和,极化率:,相对介电系数是介质极
5、化的宏观量度； 越大、介质极化程度越高,介质极化是弛豫的、需要时间的,是弛豫的、是电场频率的函数,频率， Hz,取向极化,离子位移极化,电子位移极化,未考虑电子离子的弛豫极化,频率， Hz,取向极化,离子位移极化,电子位移极化,未考虑电子离子的弛豫极化,交变电场频率：,时：,电子、离子的位移极化，有极分子的偶极取向极化都能跟上电场的变化,介电系数与直流电场时相同,时：,偶极取向极化逐渐跟不上电场的变化，,时：,偶极取向极化不能实现,电子位移极化,离子位移极化,反常色散区：介电系数跌落的频率范围,取向极化：,离子位移极化：,电子位移极化：,倒数为松弛时间,交变电场作用下介电系数随温度的变化：,极
6、性分子取向极化率：,成立前提：分子在介质中能转动,温度低时：分子不能转动、电场中的取向不能实现,小,分子转动可能,温度过高时：破坏分子沿电场的取向,降低,极化介质时合适的温度至关重要,极性分子电介质：分子的趋向激化是主要极化机制,3、介电损耗,真空平行板电容器,介质平行板电容器,加交变电压：,极板电荷：,电路中的电流：,电流的相位超前电压,理想电介质：,电容,电流,电流的相位仍超前电压,真实电介质：,存在漏电和电介质极化,总电流：,理想的电容充电电流 ；介质极化建立电流 ；,电介质漏电电流,与电压同位相,电介质电导率,复数电导率：,复数介电常数：,复电容：,用 描述总电流：,与电压同位相、能量
7、损失,电容器充放电电流、无能量损失,介质损耗因子：,损耗角,反映电容器损耗能量与存储能量之比,电工学参数 电介质品质因数：,希望 值高,讨论：,（1）介电损耗的根源,a、介质极化的驰豫 ； b、介质漏电（介质电导）,（2）影响介电损耗的因素,除与材料有关外，还与电场的频率和温度有关,a、电场频率的影响,频率在色散区外：,各种极化机制或能、或部分完全不能跟上电场的变化、极化能量损耗小,频率在色散区：,频率， Hz,介电损耗,处于色散区的极化机制不能完全跟上电场的变化， 减小、该极化机制的极化阻力大、极化能量损耗大,b、温度的影响,温度较低：,分子、离子不易动，有极分子的取向极化、离子极化不能实现
8、， 小、损耗较小,（频率较低时）各种极化机制都能实现、损耗增加,随温度升高：,温度高：,各种极化机制极易实现、损耗减小,温度极高：,介质电导急剧增加、损耗剧增,4、介电击穿强度 电介质能承受的最大电场强度,介电击穿强度：,介质材料在击穿强度以下是绝缘的，场强超过该值时介质瞬间导通、电流剧增，甚至融化、烧焦,介电击穿强度,临界场强：,介质抵抗绝缘性破坏的能力,电子元件、电气设备安全使用的重要指标,规律：,弱电场时：,一定，,一定、与 无关,较强电场时：,场至激发可使杂质能级上的电子进入导带、使杂质离子（弱联系离子）受激参与导电,电场足够强：,受激发的电子和离子数剧增、运动速度增大，并通过碰撞使更
9、多价带电子进入到带,雪崩式连锁导电、介质击穿,影响规律：,介质击穿强度受许多因素影响、变化很大,应用：,影响因素：,材料厚度、成份、表面状态、缺陷、杂质、加工工艺、环境条件、电场频率和波形、及测试条件等,介电击穿强度不是材料的本征物理量，测量值对同种材料仅具有参考意义,所有电介质材料：,希望 小、击穿强度高,减小能耗、避免发热、提高元件的使用寿命,电容器介质： 要大,雷达天线透波材料、电缆绝缘材料：,要小（减小空间电荷效应）,泡沫或蜂窝状的非极性聚合物是好的选材,高频注塑技术:,要求极性高分子的介电损耗大,极性高分子可在高频电场作用下在极短的时间内加热到流动温度,如电磁感应炉、热是从材料内部均
10、匀产生,第一节 材料的电性质,六、材料的其它电性质,六、材料的其它电性质,（一）超导性,1、概述,处于正常态的材料具有电阻,超导态：材料失去电阻的状态,超导性：在某一温度下材料突然失去电阻的性质,临界温度,1908：荷兰的 Onnes 获得液氦（1K）；,1911：Onnes发现水银在 4.2K 附近电阻突然降到无法检测的程度, 1960： 铌钛、铌锡、铌锗等20多种金属、合金、,化合物也具有超导性,它们的超导临界温度： 太低、难以实际应用,电阻率,超导材料,普通金属材料,温度，K,超导理论的发展：,1957：J. Bardecen, L. N. Cooper,and J. R. Schriefler 提出 BSC 理论,具有相同能量、但自旋方向相反的电子组成的电子对，不受原子点阵、缺陷和热扰动的影响,库伯电子对理论：,预言金属和金属间化合物的超导临界温度不超过 30K,1960 ： 在氧化物中寻找高温超导材料,1979： 超导体,1986： J. G. Bedorz and K. A. Miller 发现 Ba-La-Cu 多元,氧化物超导体，,1987： 赵忠贤 发现了临界温度在液氮以上的 超导体：,材料中具有氧空位,首次实现了液氮温度（ 77K ) 以上的超导转变,1987 :,钇,
