《电介质物理学_RISC哈理工电气专业课 哈尔滨理工大学电气.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电介质物理学_RISC哈理工电气专业课 哈尔滨理工大学电气.doc（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 本文由刘闯287贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电介质物理学 电气工程及其自动化 刘骥 2005 绪 论 一、本课程研究内容 (相对)介电常数 介质损耗角正切 tg 电导率 极化 无单位 第一章 恒定电场下电介质的极化 1-1 介质的极化及其表征参数 一、极化定义 1、极化过程 损耗 无单位 电偶极子： -Q +Q 学 固有偶极矩 电偶极矩 大小： | |= Q ? l 方向：负电荷正电荷 单位：德拜（Debye） 击穿场强 E b 击穿 MV/m 大 l 电导 S/m 主要研究：4 大参数与介质微观结构的关系 二、本课程重要地位
2、基础课 专业平台课 滨 理 工 专业课 1D = 3.33 10 ?30 C ? m 微观中原子（分子） ：位移极化例子 E=0 E0 专业基础 要求掌握：基本概念、基本规律、数量级 三、课程考核 正负电荷中心重合 正负电荷中心分离 | |= 0 | | 0 尔 宏观中介质：转向极化例子 E=0 E0 E0 期末（80%） + 平时（10%） + 实验（10%） 哈 宏观偶极矩 = 0 偶极子转向 偶极子转向一致 -2- 于是，对总电荷为零系统 E0 E0 束缚电荷 Ed 退极化电场 内部偶极矩抵消 宏观偶极矩 0 该系统的电偶极矩： 工 2、极化定义 定义： 电介质在电场作用下， 沿电场方向
3、产生偶极矩 （感 应偶极矩） ，介质表面产生束缚电荷（感应束缚电 荷）的现象。 m 例：已知 O-H 键偶极矩为 O?H = 5.27 10 ?30 C ? m ，两个 O-H 键间夹角为104 o ，求强极性水分子的固有偶极矩 H O 。 2 求该系统的电偶极矩。 解：设参考点至点电荷 q j 的径向量为 r j ，系统的电极矩 滨 理 例： m 个电荷组成的系统中， 在 总电荷量为零， j1 q j = 0 ， 即 = 解： 大 学 H 2O 如图所示，令 正负电荷重心坐标： 76o 尔 哈 2 2 2 = O ? H + O ? H ? 2 ? O ? H ? cos 76 o = 6.
4、49 10 ?30 C ? m 3、极化结果 沿电场方向产生感应偶极矩 0 ； 介质单位体积内电偶极矩向量和 / V 0 ； 介质表面产生（感应）束缚电荷 ； 束缚电荷在介质内部产生退极化电场 Ed。 -3- 二、表征极化的物理参数 1、极化强度 定义：介质单位体积内电偶极矩向量和 真空 介质 0 (总电荷面密度) 是表征介质在电场作用下极化程度的物理量。 P （表面束缚电荷面密度）关系 （C/m2） (自由电荷面密度) 学 S (束缚电荷面密度) 大 真空下，由高斯通量定理：任何闭合曲面的电感应强度 （电位移矢量）积分等于其所包含的自由电荷电量，即 D ? ds = Q D= Q = S 滨
5、 理 -4- 工 尔 ? ? | |= P ? V = P ? L ? S ? cos ? ? = P ? cos 对平板电容器介质， = 0 ，即 = P | |= ?S ? L 所以 对平板电容器系统， 对均匀各向同性介质， D = 0 E D = 0 E （真空） D = 0 E = 0 D = 0 E = （真空） 哈 P E 关系 考虑平板电容器系统，外施电压恒定条件下，介质 极化时电荷分布如图所示： 介质存在时，有 0 = + 因而存在关系式 D = 0 E + P P = 0 ( ? 1) E 2、极化系数 单位： （ 0 = 8.85 10 ?12 F/m ） 大 |F| 按电
6、荷密度比值定义 = | F0 | =( q1q 2 qq )/ 1 2 2 2 4 0 r12 4 0r12 Ed 工 滨 理 哈 = ? Ei = 对平板电容器系统， 学 3、 （相对）介电常数 根据库仑力定义 三、退极化电场 Ed： 介质极化后， 表面束缚电荷 在介质内部产生的附加电场，其 作用使 P 减弱，故称为。 按电容比值定义 Ed = ? P =? 0 0 P Ed 的一般形式： 该方式定义容易测量，为常用方法。 式中，C 填充介质时电容值； C0 真空时电容值（几何电容） 。 Ed = ? 0 内电场系数，与介质形状有关，如表所示。 分子极化率 Ei 意义为：单位电场强度（Ei=
7、1V/m）下，每个分子在电场 E 方向感应的偶极矩。 -5- 尔 4、分子极化率 设作用于分子的电场 Ei（一般 EiE） ，则每个分子 平均感应偶极矩： 四、极化种类 电子（位移）极化：瞬时 温度无关 一切物质 离子/原子（位移）极化：瞬时 温度无关 离子晶体 偶极子转向极化：松弛 温度有关 极性介质 空间电荷极化：松弛 温度有关 杂质介质 界面极化：松弛 温度有关 串联介质 自发极化：松弛 温度有关 铁电体 1-2 电介质的分类 一、电介质定义 电场作用下能建立极化的一切物质， 不仅包括绝缘材料， 还包括各种功能材料，如压电晶体、铁电体、电解液等。 二、电介质分类 1、非极性介质 无外电场
8、作用，分子正负电荷重心重合，不存在固 有偶极矩，即 0 = 0 ； 单原子分子 He、Ne、Ar、Kr、Xe 相同原子构成的双原子分子 H2、O2、N2、Cl2 结构对称的多原子分子 Cl CO2 ( O=C=O ) 大 元素 结构不对称的多原子分子 H2O C6H5Cl 三、影响因素 1、分子结构 分子结构对称，为非极性介质；不对称，极性介质。 2、电负性 电负性大，原子易得到电子；电负性小，原子易失 去电子。 构成双原子分子的两原子电负性相差越大，分子的 偶极矩越大，如图所示。 学 电负性 工 化合物 0 ( 10 30 C ? m ) 滨 理 F Cl Br I 4.0 3.0 2.8
9、2.4 HF HCl HBr HI 6.7 3.5 2.6 1.3 C6H6 CH4 CCl4 ( Cl C Cl ) Cl 2、极性介质 无外电场作用，分子正负电荷重心不重合，存在固 有偶极矩，即 0 0 。 不同原子构成的双原子分子 NaCl、HCl -6- 四、常用电介质分类 工程上，由于介质中杂质的存在，一般 0 0 ，可 以按如下分类： 0 = 0 非极性 绝缘油（纯净） 、聚乙烯（PE） 、 聚四氟乙烯（PTFE） 0 0 0.5D 弱极性 非极性材料受污染、吸杂、 氧化 0.5D 0 1.5D 强极性 水、醇等含氢键介质 哈 尔 1-3 分子极化率 一、电子极化率 e 1、电子（
10、位移）极化 外电场作用下，原子外围电子云相对原子核发生位 移形成的极化。 2、电子极化率 设 Z 为原子序数，a 为电子云球形半径， 作用电场为 Ei ，电子云重心与原子核发生位移 x ，如图所示： 平衡时， | f C |=| f E | ，则电子位移 于是 滨 理 -7- +Ze -Ze Ei 对核电场力 f E = (+ Ze) ? Ei 哈 假设 Ei 不改变球形电子云形状，可设电子云位置不 变，原子核发生位移 x ； 假设 x a ，则介于 a x 之间电子云对核作用力为 零。 0 x 球内电子云对核库仑力 f C 尔 工 Ze ? x = 4 0 a 3 Ei Ei 例：已知 Ne
11、 原子（Z=10）原子半径约为 10-10m，求该 原子在 105V/m 电场强度下，原子核的相对位移。 解： 4 ? 8.85 10 ?12 ? 10 ?30 x= ? 10 5 10 ?18 m ?19 10 ? 1.6 10 而原子半径数量级10 ?10 m ， 原子核半径数量级10 ?15 m ， 可 见假设是成立的。 3、特点 a 大， e 大，极化容易（a 大，电子云半径大，外层 电子受核束缚弱，易极化） ； 简化原子模型 原子半径 a a 外无电子云 ?41 2 1.67 10 F ? m （偏小） 量子理论（H）玻尔半径 a0 a0 外有电子出现 ?41 2 7.52 10 F
12、 ? m 极化建立、消失时间极短，约 10 ?15 10 ?16 s ，快速极 化（瞬时极化、光极化） 与温度无关（电子分布与温度无关） 存在于任何介质中 大 学 e = = 二、离子极化率 a 1、离子（原子）位移极化 外电场作用下，离子（原子）发生相对位移形成的 极化。 a 与 e 数量级接近， 4 0 (10 ?10 ) 3 10 ?40 F ? m 2 离子极化只存在离子晶体中， 非离子型介质的原子极 化率一般较小，可与 e 合并考虑。 三、偶极子转向极化率 d 1、偶极子转向极化 外电场作用下，极性介质中偶极子（分子）向电场 方向偏转， 使整个介质出现沿外施电场方向宏观偶极矩。 尔 2、离子极化率 考虑不同离子晶体结构不同，以 NaCl 晶体为例， 12 0 a 3 a = A(n ? 1) 式中 a： Ei = 0 时离子间距； A：马德隆常数，与晶格结构有关，A=1.75； n：晶格常数，n=711。
