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1、第七章电介质材料,7.2 电介质在静电场中的极化,1 电介质的极化现象 导体 电介质 在无外加电场作用时，分子热运动使得偶极矩排列混乱，因而在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零。 而在外加电场作用下，偶极分子将沿电场方向偏转定向，这是整个电介质对外感生出宏观偶极矩。,传导电流,位移电流,电介质的极化： 电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。,7.2 电介质在静电场中的极化,2 电介质极化机制,电子极化 离子极化 偶极子转向极化 自发极化 空间电荷极化,极化形式,位移极化：是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量,弛豫极化：与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的
2、能量,7.2 电介质在静电场中的极化,2 电介质极化机制 几种物质的介电常数,7.3 电介质的动态极化,1 电介质的极化过程,电介质极化的建立和消失都有一个响应过程，需要一定的时间。,在变化电场作用下的极化响应大致有三种情况：,如果电场的变化很慢，相对于极化建立的时间，像在静电场中的那样，则极化完全来得及响应，则不需要考虑响应过程，可以按照与在静电场中的情形进行分析； 如果电场的变化很快，以至于极化完全跟不上，就没有极化的发生； 如果电场的变化与极化建立的时间可以比拟，则极化对电场的响应受极化建立过程的影响很大，因而会产生比较复杂的介电现象。,7.3 电介质的动态极化,1 电介质的极化过程,电
3、子位移极化、离子位移极化建立的时间极短，通常被称为瞬时极化或快极化； 而对于偶极子转向极化及离子松弛极化等，因其建立的时间较长，故称之为慢极化或弛豫极化。,瞬间极化强度，与时间无关。,松弛极化强度，与时间的关系比较复杂,7.3 电介质的动态极化,1 电介质的极化过程 极化强度与电场强度的关系,介电常数随电场频率的改变而变化，且介电常数的温度关系与在恒定电场下的情形也不一样； 在极化过程中，存在能量的损耗，损耗掉的那部分能量转化为热能，使电介质的温度升高，这种损耗称为极化损耗，极化损耗的大小与电场的频率有密切的关系。,7.3 电介质的动态极化,2 复数介电常数,考虑一个平板电容器，加一个交变电场
4、，其电场强度为,当极化跟不上电场变化时，D和E之间便会有一定的相位差,引入一个表征在交变电场下复电场E与复电位移D间关系的参数，复数介电常数,7.3 电介质的动态极化,2 复数介电常数,电流密度,纯位移电流密度或无功电流密度，与复数介电常数的实部成正比 ， 与介质的静态相对介电常数的物理意义相同,有功电流密度，与虚部成正比， 表示介质中的能量损耗的大小,在实际应用中，介质中的能量损耗称为介电损耗,称为介质损耗角正切，常用来定量描述电介质的损耗,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 电导损耗 松弛极化损耗 谐振损耗（色散与吸收）,电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变成热能的物理过程，称为电
5、介质的损耗，其结果是电介质发热，温度上升。,介电损耗不仅会引起线路上的附加衰减，而且会使电路中的元器件发热，工作环境温度升高，可能破坏其正常工作的环境。 一般来说，产生介质损耗的主要原因有如下几个方面：,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 电导损耗,在电场的作用下，电介质中存在的一些弱联系的导电载流子作定向移动，形成传导电流。这部分传导电流中的能量以热的形式消耗掉，称之为电导损耗。,图7.12 电容器值存在电导损耗时的等效电路图,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 松弛极化损耗,热离子松弛极化、偶极子转向极化等所需建立的时间比较长，为10-210-8s，甚至更长。 当外电场频率比较高，
6、如高频或超高频，偶极子转向极化等跟不上电场周期的变化，产生松弛现象，致使电介质的极化强度P滞后于外加电场强度E，并且电介质的介电系数也随之下降； 当外电场频率足够高，偶极子转向极化将完全跟不上电场周期性变化时，介电系数下降至零，这时电介质的介电系数只由位移极化提供，而趋于光频介电系数，这一过程也消耗部分能量，而且在高频和超高频中，这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大。这种损耗就称为松弛极化损耗。,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 谐振损耗(色散与吸收),谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共振效应。这种效应发生在红外到紫外的光频范围。,频率高于X射线的电磁场不可能在原
7、子内激起任何振动，电介质材料不会产生极化现象。此频率下的电介质的介电系数等于真空的介电系数。,若电磁场的频率低于内层电子的谐振频率，则内层电子可以随电磁场而振动，对材料的极化有贡献，相对介电系数大于1。,若电磁场的频率低于外电子壳层的电子(外层电子)的谐振频率，其谐振频率范围为从紫外到近红外光谱范围，此类电子也将参与极化。,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 谐振损耗(色散与吸收),在紫外到近红外区，只可能出现电子谐振极化，在远红外区则会出现原子或离子谐振极化，在光频范围内不可能出现偶极子转向极化和松弛极化。,7.3 电介质的动态极化,3 介电损耗 谐振损耗(色散与吸收),图7.13 介电
8、常数及介电损耗随频率的变化,电子或离子的谐振极化谐振色散 偶极子转向极化和松弛极化松弛色散,色散现象的同时伴随着能量损耗。其损耗因数随频率的变化称为吸收,在介电系数发生色散的频率范围，无论是哪种极化，其损耗因数都是明显地变大且出现峰值。,随着电场频率的升高，电介质的介电系数要降低。这种介电系数随频率变化的现象称为色散现象。,7.3 电介质的动态极化,4 极化弛豫与德拜方程 极化弛豫现象,图7.14 极化弛豫现象,电介质在不同平衡态之间的过渡即弛豫过程。,介质在交变电场中,由于慢极化跟不上电场的变化，表现出极化的滞后性。系统需要经过一定时间才能达到平衡状态。,以实际介质电容器为例,7.3 电介质
9、的动态极化,4 极化弛豫与德拜方程 德拜方程,图7.15 缓慢极化电容器的等效电路图,对于驰豫过程，Debye首先提出并建立了复介电常数与频率间的关系式，主要适用于极性液体和固体介质。,由平板电容器的等效电路,得到流经电容C的充电电流密度,和流经电容Ca的充电电流密度,7.3 电介质的动态极化,4 极化弛豫与德拜方程 德拜方程,当0时，,7.3 电介质的动态极化,德拜方程,以上三式称为德拜方程，或是德拜弛豫方程。,恒定电场下,光频下,7.3 电介质的动态极化,5 复数介电常数与频率和温度的关系 与频率的关系,当在0之间时， 介电常数随频率的增加而降低，从静态值降至光频值； 损耗因子随频率的增加
10、而出现极大值。,7.3 电介质的动态极化,与频率的关系,此时，德拜方程,在这一频率区域，介电常数发生剧烈变化，同时出现极化的能量耗散，这种现象称为弥散现象，这一频率区域称为弥散区域。,7.3 电介质的动态极化,与频率的关系,tan在频率较高时才达到极值,德拜方程,在tan与频率的关系中也出现极大值,7.3 电介质的动态极化,与频率关系的解释 1) 当外加电场频率很低，即趋于0时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起， tg只是介质在频率不等于零的交变电场中的物理参数。 2) 当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电
11、场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而，r随升高而减少。tg出现极大值，P也增大。 3) 当很高时，介电常数仅由位移极化决定，在这一频率范围内，随的升高，r，tg0，P 变化较小。,7.3 电介质的动态极化,5 复数介电常数与频率和温度的关系 与温度的关系 1) s、 与温度T的关系,、,主要是单位体积内的极化粒子数n0随温度的变化引起的，也即是因为介质的密度发生变化而引起的。光频介电常数随温度的上升呈线性下降。,7.3 电介质的动态极化,与温度的关系 2)与温度T的关系,弛豫时间与温度呈指数关系，可简化表示成,7.3 电介质的动态极化,与温度的关系 3) 复介电常数 与温度T的关系
12、,与温度的关系 3) 复介电常数 与温度T的关系,当温度很低时，很大,反之，在高温区,出现极大值。Tm通过极值时对应的弛豫时间m 表征,tan的极值温度比复介电常数的极值温度要低。,7.3 电介质的动态极化,与温度关系的解释,在一定频率下，当温度很低时，极化粒子热运动能量很小，几乎处于“冻结”的状态，因此取向极化缓慢，时间很长，来不及随外加电场发生变化，弛豫极化难以建立，这时只有瞬时极化，所以介电常数 趋于光频介电常数 ，介质损耗 和tan很小；当温度升高时，极化粒子的热运动能量加大，弛豫时间减少小，可以与外加电场的周期相比拟，弛豫极化逐渐得以建立， 相应增加。随着温度继续升高，弛豫时间很快降
13、低，弛豫极化进一步建立， 急剧增加，几乎趋近于静态介电常数 。在 剧烈变化的同时，伴随着能量损耗，并出现损耗极值；若温度再继续升高则弛豫时间继续减少。弛豫极化完全来得及建立，趋近于静电场的情况，这时 趋于 。介质损耗 和tan又恢复很小。,7.3 电介质的动态极化,与温度关系的解释,同样将要指出，若频率发生变化，则 和tan要随频率的增加向高温方向移动；反之则向低温方向移动。 这可解释如下：当频率发生改变时，若频率增高，则电场变化周期缩短，与之相比拟的弛豫时间也相加减少，因此出现了弛豫极化的温区，即 由 增至 的温区也随之向高温方向移动，出现 和tan峰值的温度也相应升高。,7.4 晶体的压电
14、性质,1 晶体的压电性 正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加机械作用时，发生与机械应力成比例的介质极化，同时在晶体的两端面出现正负电荷。 逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。 正、逆压电效应统称为压电效应。 晶体的这种性质称为晶体的压电性。,压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。,7.4 晶体的压电性质,1 晶体的压电性 晶体是否具有压电效应，取决于晶体结构的对称性。 在晶体的32种点群中，具有对称中心的11个点群不具有压电效应。在21种不存在对称中心的点群中，除了432点群由于对称性很高导致其压电效应退化之外，其余20个点群都有可能产生压电效应。
15、 对于压电陶瓷、复合材料等，描述其对称性的7种居里点群中，有3种可能产生压电效应。,7.4 晶体的压电性质,3 晶体的机电耦合效应 电致伸缩效应 电致伸缩效应是一种高阶机电耦合效应，它指的是当外加电场作用于电介质时，所产生的应变近似正比于电场强度（或极化强度）的平方。 因此要比线性压电效应要弱。各种类型的固体电介质都有电致伸缩效应。 比如BaTiO3铁电陶瓷是各向同性体，不存在压电效应，但存在电致伸缩效应。,对于没有对称中心的晶体，起主要作用的是压电效应；对于具有对称中心的晶体，由于不存在压电效应，就要考虑电致伸缩效应。,7.7 钛酸钡的结构与性质,2 钛酸钡的晶体结构,钛酸钡是第一种被发现具
16、有铁电特性的陶瓷材料。,属于钙钛矿结构：ABO3,A离子周围有12个氧离子，而B离子则位于氧八面体位的间隙处。,7.7 钛酸钡的结构与性质,2 钛酸钡的晶体结构,图7.29 在不同温度条件下，钛酸钡晶体结构的变化,7.7 钛酸钡的结构与性质,2 钛酸钡的晶体结构,图7.30 钛酸钡晶体中，立方晶系-四方晶系形变时的离子位移,图7.31 钛酸钡晶体晶轴长度的变化,7.7 钛酸钡的结构与性质,3 钛酸钡的铁电性质 晶体结构对极化的影响,0附近，正交晶系，晶体对称性下降 ，沿011方向极化。 -80附近，三方晶系，对称性继续下降 ，沿111方向极化。,130时，具有立方对称性，无铁电性。,130时，四方晶系 ，沿c轴自发极化，呈现出明显的铁电性质。,130：居里温度,7.7 钛酸钡的结构与性质,3 钛酸钡的铁电性质 晶体结构对极化的影响,图7.32 介电常数与温度的关系,图7.33 饱和极化强度与温度的关系,由于四方结构的铁电性质主要是体现在室温附近的范围内，这就使钛酸钡在这温度范围内的铁电性质显得尤为重要。,相变过程存在“热滞”,1、
