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1、These PowerPoint color diagrams can only be used by instructors if the 3rd Edition has been adopted for his/her course. Permission is given to individuals who have purchased a copy of the third edition with CD-ROM Electronic Materials and Devices to use these slides in seminar, symposium and confere
2、nce presentations provided that the book title, author and McGraw-Hill are displayed under each diagram.第七章：电介质材料和绝缘第七章：电介质材料和绝缘电电工工中中一一般般认认为为电电阻阻率率超超过过 1010欧欧厘厘米米的的物物质质便便归归于于电电介介质质。电电介介质质的的带带电电粒粒子子是是被被原原子子、分分子子的的内内力力或或分分子子间间的的力力紧紧密密束束缚缚着着，因因此此这这些些粒粒子子的的电电荷荷为为束束缚缚电电荷荷。在在外外电电场场作作用用下下，这这些些电电荷荷也也只只能能在在
3、微微观观范范围围内内移移动动，产产生生极极化化。在在静静电电场场中中，电电介介质质内内部部可可以以存存在在电电场场，这这是是电电介介质质与与导导体体的的基基本本区区别别。不不导导电电的的物物质，如空气、玻璃、云母片、胶木等都可称为电介质。质，如空气、玻璃、云母片、胶木等都可称为电介质。7.17.1 物质的极化和相对电容率物质的极化和相对电容率将电介质置于一平行板将电介质置于一平行板电容器电容器 中能够以中能够以k k 的的介电常数介电常数比例提升其电容：比例提升其电容： 当中当中0 0是真空电容率，是真空电容率， A A 为电容器平行板投影重叠的有效面积，为电容器平行板投影重叠的有效面积， d
4、 d 为两块平行板之间的距离。为两块平行板之间的距离。此情况的发生是由于电场将电介质粒子极化，产生与电容器电场此情况的发生是由于电场将电介质粒子极化，产生与电容器电场成反向（反平行）的电荷群于平行板表面上，电荷在平行板间产成反向（反平行）的电荷群于平行板表面上，电荷在平行板间产生一比没有电介质时更弱的电场，从而减少电势。依照相反的想生一比没有电介质时更弱的电场，从而减少电势。依照相反的想法，这说明了在有电介质的情况下，电势的存在令电容器积存更法，这说明了在有电介质的情况下，电势的存在令电容器积存更多电荷。多电荷。Fig7.1FromPrinciplesofElectronicMaterials
5、andDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)外外电电场场作作用用下下，电电介介质质显显示示电电性性的的现现象象。在在电电场场的的影影响响下下，物物质质中中含含有有可可移移动动宏宏观观距距离离的的电电荷荷叫叫做做自自由由电电荷荷；如如果果电电荷荷被被紧紧密密地地束束缚缚在在局局域域位位置置上上，不不能能作作宏宏观观距距离离移移动动，只只能能在在原原子子范范围围内内活活动动，这这种种电电荷荷叫叫做做束束缚缚电电荷荷。理理想想的的绝绝缘缘介介质质内内部部没没有有自自由由电电荷荷，实实际际的的电电介介质质内内部部总总是是存存在在少少量量自自由由
6、电电荷荷，它它们们是是造造成成电电介介质质漏漏电的原因。电的原因。一一般般情情形形下下，未未经经电电场场作作用用的的电电介介质质内内部部的的正正负负束束缚缚电电荷荷平平均均说说来来处处处处抵抵消消，宏宏观观上上并并不不显显示示电电性性。在在外外电电场场的的作作用用下下，束束缚缚电电荷荷的的局局部部移移动动导导致致宏宏观观上上显显示示出出电电性性, ,在在电电介介质质的的表表面面和和内内部部不不均均匀匀的的地地方方出出现现电电荷荷, ,这这种种现现象象称称为为极极化化，出出现现的的电电荷荷称称为为极极化化电电荷荷。这这些些极极化化电电荷荷改改变变原原来来的的电电场场。充充满满电电介介质质的的电电
7、容容器器比比真真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。电介质的极化电介质的极化电介质的极化机制之一电介质的极化机制之一电子极化电子极化: :电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l l形成电偶极形成电偶极矩矩p pe eelel( (l l由负电中心指向正电中心由负电中心指向正电中心, ,e e是电荷量是电荷量, ,见电偶极子见电偶极子) )。当电场不太强时。当电场不太强时, ,电偶极矩电偶极矩p pe
8、e同有效电场成正比同有效电场成正比, ,，p pe e = =e eE E, ,式中式中e e称为电子极化率。称为电子极化率。Fig7.2FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)Fig7.3FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEd
9、ition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)在电子极化中，原子的正负电荷中心被分开，也如同连在在电子极化中，原子的正负电荷中心被分开，也如同连在弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同样弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同样也存在一个固有振动频率，被称为电子极化共振频率。也存在一个固有振动频率，被称为电子极化共振频率。见见P484例例7.1Fig7.4FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)7.1.3 极化强度矢量：极化强
10、度矢量：为表征电介质的极化状态，我们引入极化强度这个物理量，为表征电介质的极化状态，我们引入极化强度这个物理量，定义为，在电介质的单位体积中分子电矩的矢量和，以定义为，在电介质的单位体积中分子电矩的矢量和，以p表表示，即示，即式式中中是是在在电介介质体体元元d dt t内内分分子子电矩矩的的矢矢量量和和。在在国国际单位位制制中中，极极化化强度度的的单位位是是c m- -2(库仑/米米2)。如如果果电介介质内内各各处极极化化强度度的的大大小小和和方方向向都都相相同同，就就称称为均均匀匀极极化化。均均匀匀极极化化要求要求电介介质也是均匀的。也是均匀的。极化电荷是由于电介质极化所产生的，因此极化强度
11、与极极化电荷是由于电介质极化所产生的，因此极化强度与极化电荷之间必定存在某种关系。可以证明，对于均匀极化化电荷之间必定存在某种关系。可以证明，对于均匀极化的情形，极化电荷只出现在电介质的表面上。的情形，极化电荷只出现在电介质的表面上。极化介质表面单位面积的电荷等于极化是两垂直于表面的极化介质表面单位面积的电荷等于极化是两垂直于表面的分量，分量，Pn=P，方向由负极大指向正极大。方向由负极大指向正极大。Fig7.5FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)Fig7.6
12、FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)极化介质表面单位极化介质表面单位面积的电荷等于极面积的电荷等于极化矢量垂直于表面化矢量垂直于表面的分量，的分量，Pn=P，方方向由负极大指向正向由负极大指向正极大。极大。退极化场退极化场 电介质在外场中的性质相当于在真电介质在外场中的性质相当于在真空中有适当的束缚电荷体密度分布空中有适当的束缚电荷体密度分布在其内部。因此可用在其内部。因此可用 和和 的分布的分布来代替电介质产生的电场。来代替电介质产生的电场。在外电场在外电场
13、中，介质极化产生的束缚中，介质极化产生的束缚电荷，在其周围无论介质内部还是外电荷，在其周围无论介质内部还是外部都产生附加电场部都产生附加电场称为退极化场。称为退极化场。任一点的总场强为：任一点的总场强为：+QQ退极化场退极化场实验表明实验表明: :称为电极化率或极化率称为电极化率或极化率polarizability在各向同性线性电介质中它是一个纯数。在各向同性线性电介质中它是一个纯数。是自由电荷产生的电场是自由电荷产生的电场极化电荷产生的退极化场极化电荷产生的退极化场 depolarization field是电介质中的总电场强度。是电介质中的总电场强度。一、电位移矢量一、电位移矢量一、电位移
14、矢量一、电位移矢量 定义：定义：电位移矢量电位移矢量电位移矢量电位移矢量electric displacementelectric displacement自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷根据介质极化和根据介质极化和真空中高斯定律真空中高斯定律复复习大学物理中的概念大学物理中的概念FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGr
15、aw-Hill,2005)7.1.4 7.1.4 局域场和克劳修斯局域场和克劳修斯- -莫索提方程莫索提方程一个分子的极化性一个分子的极化性定定义为其中，其中，P是分子的感是分子的感应电偶极矩，偶极矩，E是作用于分子的是作用于分子的电场。介介电质的的电极化极化强度定度定义为总电偶极矩每偶极矩每单位面位面积：；其中，其中，P(r)是是电极化极化强度，度，r是是检验位置，位置，Nj、Pj分分别是分子是分子j的数量每的数量每单位面位面积与与电偶极矩。偶极矩。总合介合介电质内每一种分子的内每一种分子的贡献，就可以献，就可以计算出介算出介电质的的电极极化化强度。将极化性的定度。将极化性的定义式代入，可以
16、得到式代入，可以得到FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)当当计算算这方程式方程式时，必需先知道在分子位置的，必需先知道在分子位置的电场，称，称为“局域局域电场”Eloc。介。介电质内部的微内部的微观电场，从一个位置到另，从一个位置到另外位置，其外位置，其变化可能会相当化可能会相当剧烈，在烈，在电子或子或质子附近，子附近，电场很大，距离稍微很大，距离稍微远一点，一点，电场呈平方反比减弱。所以，呈平方反比减弱。所以，很很难计算算这么复么复杂的的电场的物理行的物理行
17、为。幸运地是，。幸运地是，对于大于大多数多数计算，并不需要算，并不需要这么么详细的描述。所以，只要的描述。所以，只要选择一一个足个足够大的区域（例如，体大的区域（例如，体积为V、内中含有上千个分子、内中含有上千个分子的的圆球体球体）来）来计算微算微观电场Emic的平均的平均值，称，称为“巨巨观电场”Emac，就可以足，就可以足够准确地准确地计算出巨算出巨观物理行物理行为：FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)对于稀薄介于稀薄介电质，分子与分子之，分子与分子之间的
18、距离相隔很的距离相隔很远，邻近分近分子的子的贡献很小，局域献很小，局域电场可以近似可以近似为巨巨观电场Emac：但但对于致密介于致密介电质，分子与分子之，分子与分子之间的距离相隔很近，的距离相隔很近，邻近分近分子的子的贡献很大，必需将献很大，必需将邻近分子的近分子的贡献献 E1纳入考入考虑量：量：对于立方晶系于立方晶系结构的晶体或各向同性的介构的晶体或各向同性的介电质，由于高度，由于高度的的对称性，称性，邻近分子的近分子的贡献献E1为：FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill
19、,2005)电极化率与极化性的关系极化率与极化性的关系为：稀薄物稀薄物质质一般均一般均匀物匀物质质FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)一般均匀物一般均匀物质质克劳修斯克劳修斯- -莫索提方程莫索提方程（Clausius-Mossottiequation）表达了表达了线线性介性介电质电质的极化性和相的极化性和相对电对电容率之容率之间间的关系，是因意大的关系，是因意大利物理学者莫索提（利物理学者莫索提（Ottaviano-FabrizioMossotti）和德国物
20、理）和德国物理学者学者鲁鲁道夫道夫克克劳劳修斯而命名。修斯而命名。这这方程式也可以更改方程式也可以更改为为表达极化性表达极化性和折射率之和折射率之间间的关系，此的关系，此时时称称为为洛洛伦兹伦兹-洛洛伦伦茨方程式（茨方程式（Lorentz-Lorenzequation）。）。极化性是一种微极化性是一种微观观属性，而相属性，而相对对电电容率容率则则是介是介电质电质内部的一种巨内部的一种巨观观属性，所以，属性，所以，这这方程式方程式连结连结了了介介电质电质关于关于电电极化的微极化的微观观属性与属性与巨巨观观属性。（教材属性。（教材P489例例7.2）洛洛伦兹伦兹-洛洛伦伦茨方程式茨方程式Fig7.
21、8FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)(a)Valenceelectronsincovalentbondsintheabsenceofanappliedfield.(b)Whenanelectricfieldisappliedtoacovalentsolid,thevalenceelectronsinthecovalentbondsareshiftedveryeasilywithrespecttothepositiveioniccores.Thewholeso
22、lidbecomespolarizedduetothecollectiveshiftinthenegativechargedistributionofthevalenceelectrons.7.2电子极化：共价固体电子极化：共价固体FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)使共价电子脱离共价键成为自由价电子约需使共价电子脱离共价键成为自由价电子约需1-2eV1-2eV，但从，但从单个离子实中成为自由电子却需要单个离子实中成为自由电子却需要10eV10eV以上。以上。见见P490P490例例7.37.3
