电介质物理课件32

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1、电介介质物理物理课件件(2013-3)(2013-3)3-1 3-1 概述概述一、载流子一、载流子 离子离子 从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子从能带理论可知，主要为弱联系离子、本征离子 带电的分子团带电的分子团- -胶粒胶粒 液体介质中的水珠液体介质中的水珠 电子电子 极少，在特殊条件下出现极少，在特殊条件下出现二、导电机构二、导电机构 离子电导离子电导 由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导；由（晶格）结点上的离子产生的本征离子电导； 由杂质离子产生的杂质离子电导。由杂质离子产生的杂质离子电导。 电泳电导电泳电导 带电胶粒形成的基团产生的电导。带电胶粒形成的基团产生的电导。 电子

2、电导电子电导 一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。一般是由光辐照产生的电子形成电子电导。2024/7/202AL三、电导率三、电导率 与迁移率与迁移率 的关系的关系2024/7/203欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手：欲提高介质的绝缘性能，可以从两个方面着手：(1)减小电介质的载流子数减小电介质的载流子数,(2)降低迁移率。降低迁移率。极化和电导的区别：极化和电导的区别：离子微小位移离子微小位移产生产生离子从一个电极位移至另一离子从一个电极位移至另一个电极个电极形成电导形成电导2024/7/204介质的电导有介质的电导有: :体积电导体积电导: :西门子西门子/ /米（用米（用s/m

3、s/m或者或者s/cms/cm表示）表示）表面电导表面电导: :西门子西门子 与电介质的性质有关，与电介质表面与电介质的性质有关，与电介质表面吸附的导电杂质有关。吸附的导电杂质有关。 2024/7/2053-2 3-2 气体介质的电导气体介质的电导一、气体介质的电流一、气体介质的电流- -电压关系（伏电压关系（伏- -安特性曲线）安特性曲线）IIIIII气体介质的电流气体介质的电流- -电压关系电压关系2024/7/206二、气体介质中的载流子浓度二、气体介质中的载流子浓度2024/7/207在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同。在电流很小时，载流子的浓度与无电场的载流子浓度相同

4、。2024/7/2083.3.高电场区高电场区 如电场很高，例如如电场很高，例如E10E106 6V/cmV/cm，离子在电场中获，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使n n随随E E的增大指数增加，导致电流的指数增大的增大指数增加，导致电流的指数增大。2024/7/209 气体介质多处于饱和电流区工作气体介质多处于饱和电流区工作, ,气气体介质饱和电流大小的估算是有实际意体介质饱和电流大小的估算是有实际意义的义的. .如何估算如何估算? ?请同学考虑请同学考虑2024/7/2010上次课内容上次课内容: : 电导率宏观与微观电导率宏观与微观的

5、关系的关系 提高介质的绝缘性能的方法提高介质的绝缘性能的方法 气体介质的电流气体介质的电流- -电压关系电压关系 2024/7/20113-3 3-3 液体介质的电导液体介质的电导液体介质结构特点：液体介质结构特点： 具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的具有固定的体积，较大的密度（近似固体，是气体介质的10001000多倍多倍),),具有较大的流动性。具有较大的流动性。常见的液体电介质：常见的液体电介质： 矿物油矿物油变压器油、变压器油、电容器油；电容器油； 植物油植物油蓖麻油、桐油；蓖麻油、桐油； 有机溶剂有机溶剂苯、甲苯、苯、甲苯、四氯化碳；四氯化碳； 新型液体介质新型液体介

6、质十二烷基苯、十二烷基苯、硅油、硅油、酯类油。酯类油。液体电介质的电导率：液体电介质的电导率： 纯液体介质具有很低的电导率纯液体介质具有很低的电导率 =10=10-13-131010-15-15（cmcm）-1-1， 含有杂质的液体介质的电导率含有杂质的液体介质的电导率 =10=10-9-91010-13-13（cmcm）-1-1。液体电介质的电导种类：液体电介质的电导种类：离子电导，电泳电导离子电导，电泳电导2024/7/2012一、液体介质的离子电导一、液体介质的离子电导离子的来源离子的来源: : 本征离子：本征离子：液体本身的基本分子热离解液体本身的基本分子热离解. . 杂质离子：杂质离

7、子：外来杂质分子离解，外来杂质分子离解， 液体本身的基本分子老化的产物液体本身的基本分子老化的产物二、离子电导率与温度的关系二、离子电导率与温度的关系2024/7/20132024/7/2014本征杂质液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同液体介质中杂质离子电导与本征离子电导过程相同2024/7/2015二、液体介质的电泳电导二、液体介质的电泳电导1.1.载流子载流子胶粒胶粒 来源：来源：1 1）加树脂（提高粘度、稳定性）加树脂（提高粘度、稳定性）悬浮离子；悬浮离子； 2 2）过量的水）过量的水细小水珠。细小水珠。特点：特点：1 1）胶粒为分子的聚集体，大小在）胶粒为分子的聚集体，大小在

8、1010-6-61010-10-10m m； 2 2）胶粒为分散体系，作布朗热运动；）胶粒为分散体系，作布朗热运动； 3 3）胶粒为带电体，带电规律：）胶粒为带电体，带电规律：胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体大，带正电胶粒的介电常数比液体小，带负电胶粒的介电常数比液体小，带负电胶粒的介电常数比液体小，带负电胶粒的介电常数比液体小，带负电2024/7/20162.2.华尔顿定律华尔顿定律电场力F摩擦力f运动方向2024/7/2017华尔顿定律华尔顿定律适用范围有限：适用范围有限：温度范围有限温度范围有限不适合杂质离子电

9、导不适合杂质离子电导2024/7/20183. 3. 液体电导主要是液体电导主要是杂质和胶粒杂质和胶粒，这都不是液体介质的本征，这都不是液体介质的本征特性。可以通过在液体介质中特性。可以通过在液体介质中加硅胶和活性剂的精制加硅胶和活性剂的精制方法方法来改善液体介质的性能。来改善液体介质的性能。液体的本征离子电导是不能去除的液体的本征离子电导是不能去除的, ,是其本身特性是其本身特性. .符合华符合华尔顿定律尔顿定律. .液体介质的电泳电导注意两点液体介质的电泳电导注意两点:电导率与介电常数的平方成正比电导率与介电常数的平方成正比 电泳电导对电泳电导对液体电导率的影响高于液体的离子性电导液体电导

10、率的影响高于液体的离子性电导2024/7/20193-4 3-4 固体介质的电导固体介质的电导固体介质按结构可分为：固体介质按结构可分为： 晶体晶体 非晶体非晶体固体介质的电导按导电载流子的种类可分为：固体介质的电导按导电载流子的种类可分为： 离子电导离子电导 在弱场中主要是离子电导在弱场中主要是离子电导 电子电导电子电导 某些物质，例如某些物质，例如钛酸钡，钛酸钙，钛酸钡，钛酸钙， 钛酸锶钛酸锶等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈等钛酸盐类，在常温时，除离子电导外也呈现出现出电子电导电子电导的特性。的特性。固体介质导电性质的判断：固体介质导电性质的判断： 霍尔效应霍尔效应 判断电子电导判断

11、电子电导 法拉第效应法拉第效应判断离子电导判断离子电导2024/7/2020SNI-+PalmFBI霍耳效应霍耳效应霍耳效应霍耳效应2024/7/2021法拉第效应：法拉第效应：法拉第效应：法拉第效应：2024/7/2022上次课内容上次课内容: : 液体介质的离子电导率与温度的关系液体介质的离子电导率与温度的关系 华尔顿定律华尔顿定律 液体介质的电泳电导特点液体介质的电泳电导特点 固体介质的本征离子电导来源固体介质的本征离子电导来源 参与电导的离子为参与电导的离子为本征和杂质离子本征和杂质离子SchottkyFrenkel一、晶体介质的离子电导一、晶体介质的离子电导2024/7/202520

12、24/7/20262024/7/20272024/7/2028本征杂质低温时主要由活化能低的杂质离低温时主要由活化能低的杂质离子引起电导；子引起电导；高温时主要由活化能高的本征离高温时主要由活化能高的本征离子引起电导。子引起电导。2024/7/2029二、无定形固体介质的电导二、无定形固体介质的电导 玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活玻璃为典型的无定形固体介质，它没有固定的活化能，活化能化能，活化能U U为平均值。为平均值。激活能大，电导率低激活能大，电导率低2024/7/2030LiNaKR2 2含碱玻璃的电导含碱玻璃的电导: :杂质：杂质：Na2ONa2O，K2OK2O，Li2OL

13、i2O（典型的弱（典型的弱束缚离子）形成断键束缚离子）形成断键引入一价金属离子的影响：引入一价金属离子的影响：1 1结构松散，使结构松散，使U U下降，电导增加。下降，电导增加。2 2缺陷离子数增加缺陷离子数增加 ，电导增加，电导增加，也与也与R2OR2O的浓度成正比的浓度成正比2024/7/2031KNa40%60%中和效应中和效应中和效应中和效应：当玻璃中碱金当玻璃中碱金属氧化物的总浓度较高，属氧化物的总浓度较高，而用另一种碱金属来部分而用另一种碱金属来部分取代（总浓度保持不变），取代（总浓度保持不变），可降低玻璃的电导率和损可降低玻璃的电导率和损耗，这种效应称为耗，这种效应称为“中和中和

14、效应效应”。压抑效应压抑效应压抑效应压抑效应：在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金在碱金属氧化物玻璃中，加入二价碱土金属氧化物（属氧化物（CaOCaO、BaOBaO等），由于二价碱土金属可使玻等），由于二价碱土金属可使玻璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势璃结构比单一含一价碱金属时的结构更紧密，并使势垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。垒增高，从而降低玻璃的电导率和损耗。3 3）降低玻璃的电导方法）降低玻璃的电导方法: :2024/7/2032三、固体介质的表面电导三、固体介质的表面电导2024/7/2033绝缘电阻与体积、表面电阻的关系绝缘电阻与体积、表面电阻的关系 2024/7/

15、2034芯片电容器不同工艺断面图芯片电容器不同工艺断面图注：注：1 1测量电极测量电极 2.2.高压电极高压电极 3.3.保护电极保护电极 4.4.被测试样被测试样 三电极系统三电极系统2024/7/2036体积电流的测量体积电流的测量 表面电流的测量表面电流的测量 （M M主电极；主电极； H H对电极；对电极； G G保护电极。）保护电极。）体积电流和表面电流的测量体积电流和表面电流的测量2024/7/20371.1.表面吸附的水膜对表面电导的影响表面吸附的水膜对表面电导的影响 2.2.表面清洁度对表面电导的影响表面清洁度对表面电导的影响 表面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表表

16、面污染，特别是含有电解质的污染，将会引起介质表面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。面导电水膜的电阻率下降，从而使表面电导率上升。3.3.分子结构对表面电导的影响分子结构对表面电导的影响 亲水介质亲水介质 疏水介质疏水介质亲水介质：浸润角亲水介质：浸润角 90 9090强极性 对水分子的吸引力强，超过水分子之间的分子内聚力，这类介质表面所吸附的水分子容易形成连续的水膜，使表面电导增加。非极性 对水分子的吸引力小于水分子之间的内聚力，吸附水在介质表面成为孤立的水滴，大气湿度对表面电导的影响很小影响表面电导的因素：影响表面电导的因素：2024/7/2038六、固体介质的电子电导六、固体介质

17、的电子电导主要为：主要为： 禁带宽度（禁带宽度（EgEg）较小的电介质和薄膜介质。）较小的电介质和薄膜介质。来源：来源： 金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。金属电极、热电子发射、场致冷发射和碰撞电离。运动形式：能带模型（运动形式：能带模型（Energy Band ModelEnergy Band Model）；）； 跳跃模型（跳跃模型（Hopping ModelHopping Model）；）； 自由电子气模型（自由电子气模型（Free Electron Gas ModelFree Electron Gas Model）2024/7/20391. 1. 能带模型能带模型ECmaxEC

18、EVEVminEFEg2024/7/20402024/7/2041 当当E Eg g3ev3ev时，本征激发的电子和空穴浓度很低，时，本征激发的电子和空穴浓度很低，故电子电导不明显。故电子电导不明显。 但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质但介质中同样存在类似半导体的杂质，这些杂质形成浅能级。形成浅能级。2024/7/20422. 2. 跳跃模型跳跃模型 各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电。各分子的电子越过分子间的势垒，形成导电。越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起越过势垒的方式有：高电场下的隧道效应；温度引起的热激发。的热激发。aU2024/7/20433. 3. 自由电子

19、气模型自由电子气模型 在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电在强电场下，出现场致冷发射，电子通过电极注入方式引起极注入方式引起电荷注入型电流。电荷注入型电流。ChildLaw2024/7/20441 1试分析气体介质的载流子来源？解释气体介质的试分析气体介质的载流子来源？解释气体介质的j jE E曲线？曲线？2 2试试分分析析液液体体介介质质的的载载流流子子来来源源？并并推推导导液液体体介介质质中中离离子子的的平平均均迁迁移移率率公式。公式。3 3什么是华尔屯定律？阐述它的用途及应用范围？什么是华尔屯定律？阐述它的用途及应用范围？4 4电泳电导的定义？电泳电导的定义？5 5固固体体电电介介质质

20、中中载载流流子子有有几几种种类类型型？并并说说明明其其对对电电导导的的影影响响及及与与温温度度的的关系？关系？6 6若晶体的电阻率与温度的一组测试数据如下：若晶体的电阻率与温度的一组测试数据如下： ln 12 11 10 8ln 12 11 10 8(1/T)10(1/T)103 3 1.5 1.25 0.99 0.741.5 1.25 0.99 0.74求激活能？求激活能？7 7指出降低玻璃电导的主要途径？指出降低玻璃电导的主要途径？8. 8. 表面电导的影响因素有哪些？如何在实验上区分体积电导与表面电导表面电导的影响因素有哪些？如何在实验上区分体积电导与表面电导 电介质物理第三章习题电介质物理第三章习题2024/7/2045谢谢！