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1、ChengduUniversityofTechnology2021/6/1611.1.掌握电介质极化的形式和特点；掌握电介质极化的形式和特点；2.2.了解复介电常数的意义和介质损耗的形式；了解复介电常数的意义和介质损耗的形式；3.3.掌握提高介质材料介电强度的方法。掌握提高介质材料介电强度的方法。一、介质的极化一、介质的极化二、介质的损耗二、介质的损耗三、介电强度三、介电强度由于介质材料在电场的作用下，带电质点发生短距离的位移，而不是传导电流，因此在电场中表现出特殊的性状，大量地用于电绝缘体和电容元件。要求要求 本章内容本章内容第第4 4章章 材料的介电性能材料的介电性能2021/6/1622
2、021/6/1631.1.电介质电介质：通常通常10109 9 mm，从电场这一从电场这一角度看，角度看，电介质就是绝缘体电介质就是绝缘体 2.2.极化现象：极化现象：概述在电场作用下，能建立极化的一切物质。在电场作用下，能建立极化的一切物质。导体：导体：10-5 m半导体：半导体： 10-5 m 109 m 将电介质放入电场，表面出现电荷。这种将电介质放入电场，表面出现电荷。这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做做电介质的极化电介质的极化。所产生的电荷称之为。所产生的电荷称之为“感应感应电荷电荷”。只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。只讨论
3、静电场与各向同性电介质的相互作用。2021/6/164正极板附近的介质表面上感应出负电荷正极板附近的介质表面上感应出负电荷负极板附近的介质表面上感应出正电荷负极板附近的介质表面上感应出正电荷+-E3 3、电介质内部的总场强、电介质内部的总场强 极化电荷所产生的附加电场不足以将介质极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消，它只能削弱外电场。中的外电场完全抵消，它只能削弱外电场。介质内部的总场强不为零！介质内部的总场强不为零！2021/6/1653.3.电介质的结构电介质的结构电介质的主要特征电介质的主要特征: : 质点中电子被原子核束缚得很质点中电子被原子核束缚得很紧，即使在外电场
4、作用下，电子一紧，即使在外电场作用下，电子一般只能相对于原子核有一微观的位般只能相对于原子核有一微观的位移，而不象导体中的电子那样，能移，而不象导体中的电子那样，能够脱离所属原子作宏观运动。够脱离所属原子作宏观运动。-+H2+-TiO-O-TiO2-+2021/6/1661）真空平行板电容器C0A为面积，d为板极间距，0真空介电常数0=8.8510-12 Fm(法拉/米)是电介质的介电常数，r称相对介电常数。r反映了电介质极化的能力4.4.电容电容2) 嵌入电介质的电容器C2021/6/167物质真空空气玻璃水纸云母钛酸钡11510783.53.77.5103104电介质对电容器的的影响电介质
5、对电容器的的影响（1 1）可以使电容）可以使电容 C C 增加；增加；C=CC=C0 0 其中其中 C C0 0是电容器极板间为真空时是电容器极板间为真空时的电容。的电容。（2 2）极板间其间充满均匀的电介质可以）极板间其间充满均匀的电介质可以 增加电容器的耐压能力（与空增加电容器的耐压能力（与空气相比）。气相比）。物质空气云母玻璃纸钛酸钡介电强度（KV/mm）380200513164031032021/6/1684.1介质的极化 一、极化及极化参数一、极化及极化参数二、克劳修斯二、克劳修斯- -莫索蒂方程莫索蒂方程三、介质的极化三、介质的极化掌握介质的极化现象及其物理量；掌握介质的极化现象及
6、其物理量；理解介质极化的各种形式（包括电子位移极化、离子位移极化、松理解介质极化的各种形式（包括电子位移极化、离子位移极化、松驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化），驰极化、转向极化、空间电荷有为化、自发极化），要求要求: :分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。 通过定义电介极化强度通过定义电介极化强度建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系，建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系，电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电场之间的关系，推导出介电常数与质
7、点极化率的关系。电场之间的关系，推导出介电常数与质点极化率的关系。2021/6/169一、极化及极化参数一、极化及极化参数电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化电介质最重要的性质是在外电场作用下能够极化1.1.极化极化非极性介质极化过程：非极性介质极化过程：2）有了外电场，正、负电荷将分别受到相反方有了外电场，正、负电荷将分别受到相反方向的电场力作用而被拉开，导致正、负电荷中向的电场力作用而被拉开，导致正、负电荷中心发生相对位移。心发生相对位移。3）介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子的过程。重心的分离，从而转变成偶极子的
8、过程。 1）无外加电场时，正、负电荷中心是重合的）无外加电场时，正、负电荷中心是重合的；2021/6/1610 在外电场作用下，电介质的两个表面分别出现的正电在外电场作用下，电介质的两个表面分别出现的正电荷和负电荷，它们荷和负电荷，它们是和介质分子连在一起的，不能在电介是和介质分子连在一起的，不能在电介质中自由移动，也不能脱离电介质而独立存在，故称为质中自由移动，也不能脱离电介质而独立存在，故称为束束缚电荷或极化电荷。缚电荷或极化电荷。4 4）每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列；）每个电偶极子其电矩方向都沿着外电场的方向排列； 在外电场作用下，电介质出现束缚电荷在外电场作用下，电介质
9、出现束缚电荷的这种现象的这种现象，称为电介质的极化。，称为电介质的极化。5 5）在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现）在和外电场垂直的电介质两侧表面上，分别出现正、负电荷，为束缚电荷或极化电荷。正、负电荷，为束缚电荷或极化电荷。束缚电荷或极化电荷束缚电荷或极化电荷2021/6/16113 3）当有外电场）当有外电场 时，每个偶极子受到力偶矩作用，时，每个偶极子受到力偶矩作用， 各个各个偶极子方向趋向一致，要转向外电场的方向偶极子方向趋向一致，要转向外电场的方向 。极性介质极化过程极性介质极化过程4 4）在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束缚电荷。）在垂直于外电场方向的两个表面上也出现束
10、缚电荷。1 1）介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重）介质内部存质点的正、负电荷的中心不相重合，存在一定距离，自身形成一个偶极子；合，存在一定距离，自身形成一个偶极子；2 2）无外加电场时，各个偶极子方向随机排列，）无外加电场时，各个偶极子方向随机排列，杂乱无序；杂乱无序；5 5）如果撤去外电场，由于分子热运动，偶极子的排列又将）如果撤去外电场，由于分子热运动，偶极子的排列又将变得杂乱无序，电介质又恢复电变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性状态。中性状态。2021/6/1612偶极子：在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短偶极子：在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有
11、限范围内短程移动，组成一个偶极子。程移动，组成一个偶极子。l l -q-q+q+qE E偶极子偶极子2.2.极化物理量极化物理量(1(1）电偶极矩）电偶极矩 ： =ql=ql（单位：库仑（单位：库仑 米）米）电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致2.1电偶极矩电偶极矩 质点的极化率质点的极化率 ： = /Eloc ，表征材料的极化能力表征材料的极化能力局部电场局部电场E Elocloc ：作用在微观质点上的局部电场：作用在微观质点上的局部电场2021/6/1613（2 2）外电场对点偶极子的作用）外电
12、场对点偶极子的作用在外电场在外电场E的作用下一个点电偶极子的作用下一个点电偶极子p的位能的位能: 上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时，能量为最低，而反向时能量为最高。最低，而反向时能量为最高。U=-p E力力f使电偶极矩向电力线密集处平移，使电偶极矩向电力线密集处平移，力矩力矩M使电偶极矩朝外电使电偶极矩朝外电场方向旋转。场方向旋转。点电偶极子所受外电场的作用力点电偶极子所受外电场的作用力f和作用力矩和作用力矩M分别分别:f=pE；M=p E2021/6/1614（1 1）介质的极化强度）介质的极化强度P P：P=P= /V/V单位介质体积内的
13、电偶极矩总和单位介质体积内的电偶极矩总和电介质极化系数电介质极化系数P P与宏观平均电场与宏观平均电场E E成正比成正比, ,2.2极化强度极化强度P PP=P=( (0 0) )E=E=0 0 ( (r r- -1)1)E E , , 可以得出电可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率介质的相对介电常数与相对电极化率有以下有以下关系关系: :极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量，其单位为极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量，其单位为C/mC/m2 2。（2 2）介质的极化强度与宏观可测量之间的关系）介质的极化强度与宏观可测量之间的关系对各向同性介质，实验表明，当电场不太强时，极化强度与
14、对各向同性介质，实验表明，当电场不太强时，极化强度与场强成正比场强成正比 r r=1 1+2021/6/1615二、克劳修斯二、克劳修斯- -莫索蒂方程：莫索蒂方程： 在外电场的作用下电介质发生极化，整个介质出现在外电场的作用下电介质发生极化，整个介质出现宏观电场宏观电场，但作，但作用在每个分子或原子上使之极化的用在每个分子或原子上使之极化的局部电场（也叫有效场）局部电场（也叫有效场）并不包括该并不包括该分子或原子自身极化所产生的电场，因而局部电场不等于宏观电场。但分子或原子自身极化所产生的电场，因而局部电场不等于宏观电场。但局部电场与宏观电场有关。局部电场与宏观电场有关。宏观电场宏观电场E
15、E 平行板两端的实际电场强度为外加电场平行板两端的实际电场强度为外加电场E E外外与退极化场与退极化场E E1 1之和。即之和。即E=EE=E外外+E+E1 1, ,这一电场为宏观电场。这一电场为宏观电场。原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc也叫有效电场。也叫有效电场。晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场晶体中一个原子位置上的局部电场是外加电场E E外外与晶体内部内部其它原子与晶体内部内部其它原子偶极子所产生的电场之和偶极子所产生的电场之和, ,即即E Elocloc = =E E外外+ +E E总总。对于气体
16、质点，其质点的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同对于气体质点，其质点的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同2021/6/1616 构成物体的所有质点电荷的电场之和构成物体的所有质点电荷的电场之和E E1 1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）（退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生）1 . 1 . 宏观电场：宏观电场：外加电场外加电场E E外外E E1 1+ + + + + + + + + + + +退极化场退极化场E E1 1外加电场外加电场E E外外( (物体外部固定电荷所产生。物体外部固定电荷所产生。 即极板上的所有电荷所即极板上的所有电荷所产生）产生）E E宏宏=E=
17、E外外+E+E1 12021/6/1617退极化场退极化场E E1 12 2原子位置上的局部电场原子位置上的局部电场E Elocloc1 1）局部电场）局部电场晶体中其它原子所产晶体中其它原子所产生的电场生的电场E E总外加电场外加电场E E外外晶体中原子上的内电场晶体中原子上的内电场球外介质球外介质的作用：的作用： 晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原晶体内部所有其他原子对于局部电场的贡献是由介质中所有其它原子的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场：子的偶极矩在一个原子位置上所产生的总场：E E总总= = E E1 1+E+E2 2 +E +E3 3洛伦兹场洛伦兹场E E
18、2 2：空球表面极化空球表面极化电荷作用场电荷作用场( (E E2 2) )称为洛伦兹称为洛伦兹场场E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定空腔内其他偶极子的场空腔内其他偶极子的场E E3 3 ：晶体中其它原子所产生的电场晶体中其它原子所产生的电场E E总2021/6/1618由由 P= P= Q Q1 1 /A= /A= o oE E1 1得：得： E E1 1 = = P P / / o o 退极化场退极化场E E1 1：对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场：外加电
19、场外加电场E E外外E E1 1+ + + + + + + + + + + +2 2）局部电场）局部电场E Elocloc为了方便，可将其他原子偶极子场进行分解，并对其求和。为了方便，可将其他原子偶极子场进行分解，并对其求和。2021/6/1619洛伦兹场洛伦兹场E E2 2 ： 在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔，空腔表面在介质中切割出一个以所参考的原子为中心的球形空腔，空腔表面上的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场上的极化电荷所产生的电场就是洛伦兹场E E2 2。可根据库仑定律。可根据库仑定律以以表示相对于极化方向的夹角，表示相对于极化方向的夹角，处空腔表面上的面电荷密度就是处
20、空腔表面上的面电荷密度就是- -P Pcoscos，取，取dd角对应的微小环球面，其表面积角对应的微小环球面，其表面积d dS S为：为：2021/6/1620dqdq在空腔球心在空腔球心O O点产生的电场点产生的电场dSdS面上的电荷：面上的电荷：整个空腔球面上的电荷在整个空腔球面上的电荷在O O点产生的洛伦兹场点产生的洛伦兹场E E2 2: :2021/6/1621 E E3 3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，具有对称中心及立方对称环境结构的晶体，决定，具有对称中心及立方对称环境结构的晶体，E E3 3=0=0。得局部电场（洛伦
21、兹关系）得局部电场（洛伦兹关系）: :空腔内其他偶极子的场空腔内其他偶极子的场E E3 32021/6/16223 3克劳修斯克劳修斯莫索蒂方程莫索蒂方程克劳修斯克劳修斯- -莫索蒂方程莫索蒂方程：由P=0（r-1）E，及P=nEloc2021/6/1623（r1）/（r+2）=n/（3o）（r1）/（r+2）-r越大其值越大克劳修斯克劳修斯- -莫索蒂方程的意义：莫索蒂方程的意义：建立了可测物理量建立了可测物理量 r r （宏观量）与质点极化率（宏观量）与质点极化率 （微观量）之间的关系（微观量）之间的关系克劳修斯克劳修斯- -莫索蒂方程的适用范围：莫索蒂方程的适用范围： 由于在推导克劳修斯
22、由于在推导克劳修斯- -莫索蒂方程上时，假设莫索蒂方程上时，假设E E3 3=0=0，适用于分子间作适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体高介电常数质点的高介电常数质点的 r r 和和 ：从克劳修斯从克劳修斯- -莫索蒂方程可知，为了获得高介电常数的介质，莫索蒂方程可知，为了获得高介电常数的介质， 需要选择大需要选择大 的离子，极化介质中极化质点数的离子，极化介质中极化质点数n n要多，即单位体积的极化质点数要多要多，即单位体积的极化质点数要多2021/6/1624第二种是松弛极化。这种极化与热运动有关
23、，完成这种极化需要一定的时第二种是松弛极化。这种极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。间，并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。三、介质的极化三、介质的极化1.1.介质极化种类介质极化种类：电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和自发极化等2.2.极化基本形式：极化基本形式：第一种是位移式极化。是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。第一种是位移式极化。是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。电子位移极化、离子位移极化属这种情况电子位移极化、离子位移极化属这种情况电子松弛极化、离
24、子松弛极化属这种类型电子松弛极化、离子松弛极化属这种类型2021/6/16252021/6/1626四、位移极化四、位移极化（一）电子位移极化（一）电子位移极化在外电场作用下，在外电场作用下，由于正电中心和负电由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象叫做中心的移动而形成的极化现象叫做叫电叫电子位移极化。子位移极化。位移极化位移极化位移极化主要是由电子的移动造成的。位移极化主要是由电子的移动造成的。外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，非均匀介质极化时，介质的表面
25、及内部均可非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。出现极化电荷。2021/6/1627一个质量为一个质量为m，带电为，带电为-e的粒子，为一带的粒子，为一带正电正电+e的中心所束缚，弹性恢复力为的中心所束缚，弹性恢复力为-kx。则在电场作用下的运动方程为：则在电场作用下的运动方程为：表示表示x对时间对时间t的二阶导数。的二阶导数。k是弹性恢复系数，是弹性恢复系数，x表示粒子的位移表示粒子的位移1.1.电子位移极化的经典理论电子位移极化的经典理论1)1)电偶极矩电偶极矩电荷电荷- -e e的运动方程的运动方程2021/6/1628电偶极矩电偶极矩电荷的相对位移电荷的相对位移x x弹性
26、偶极子的弹性偶极子的固有振动频率固有振动频率2021/6/1629静态极化率静态极化率令令00，得静态极化率，得静态极化率2 2）极化率）极化率电子极化率依赖于频率电子极化率依赖于频率2021/6/1630 电荷电荷(-e)(-e)环绕以电荷环绕以电荷+q+q为圆心的圆周轨道运行。垂直于为圆心的圆周轨道运行。垂直于轨道平面的电场轨道平面的电场E Elocloc使使+ +q q沿轴线沿轴线从轨道中心移至从轨道中心移至M M点，则原子感点，则原子感生偶极矩为生偶极矩为= =eded，d d=OMOM。3 3）玻尔原子模型估算）玻尔原子模型估算e e2021/6/1631核与电子吸引力核与电子吸引力
27、e e2 2/4/40 0R R2 2和和F FR R之间平之间平衡而形成稳定的轨道，因此有衡而形成稳定的轨道，因此有根据三角形几何关系根据三角形几何关系: :F FR R为沿轨道运行的电子的离心力为沿轨道运行的电子的离心力2021/6/1632电偶极矩电偶极矩和极化率和极化率e e 若考虑同类原子的一个集合，它们所有轨道是随机取向，如电场若考虑同类原子的一个集合，它们所有轨道是随机取向，如电场较低，则在电场方向上平均感生偶极矩为较低，则在电场方向上平均感生偶极矩为=cos2= 1/3电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离离子子) )半径有关半径有关平均感生偶极矩平均感生偶极矩2
28、021/6/1633 离子的极化率和半径离子的极化率和半径 离子离子极化极化率率 (3 3) )半半 径径 R()R()离子离子极化极化率率 (3 3) )半半 径径 R()R()离子离子极化极化率率 (3 3) )半半 径径 R()R()LiLi+ +0.0310.0310.600.60B B3+3+0.0030.0030.200.20F F1.041.041.361.36NaNa+ +0.1790.1790.950.95AlAl3+3+0.0520.0520.500.50ClCl3.663.661.811.81K K+ +0.830.831.331.33ScSc3+3+0.2860.286
29、0.810.81BrBr4.774.771.951.95RbRb+ +1.401.401.491.49Y Y3+3+0.550.550.930.93I I7.107.102.162.16CsCs+ +2.422.421.691.69LaLa3+3+1.041.041.041.04O O2 23.883.881.401.40BeBe2+2+0.0080.0080.310.31C C4+4+0.0010.0013 30.150.15S S2 210.210.21.841.84MgMg2+2+0.0940.0940.650.65SiSi4+4+0.0160.0165 50.410.41SeSe2 2
30、10.510.51.981.98CaCa2+2+0.470.470.990.99TiTi4+4+0.1850.1850.680.68TeTe2 214.014.02.212.21SrSr2+2+0.860.861.131.13CeCe4+4+0.730.731.011.01 BaBa2+2+1.551.551.351.35 2021/6/1634在电场中离子的位移，受到弹性恢复力的在电场中离子的位移，受到弹性恢复力的限制。限制。设离子位移设离子位移+ +，负离子位移，负离子位移- -，+ +和和- -符号相反。符号相反。（二）离子位移极化（二）离子位移极化离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的
31、极化。离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。感生的电偶极矩感生的电偶极矩：在交变电场作用下，离子在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹在电场中的运动设想为弹簧振子。簧振子。2021/6/16352) 2) 运动方程运动方程约化质量约化质量正离子受到弹性恢复力：正离子受到弹性恢复力：-k(-k(+ + - - - - ) )负离子受到弹性恢复力：负离子受到弹性恢复力：-k( -k( - - - - + + ) )1) 1) 弹性恢复力：弹性恢复力：运动的牛顿定律：运动的牛顿定律：相对振动的固有频率相对振动的固有频率2021/6/16363) 3) 正负离子的相对位移：正负离子的相对位
32、移：4) 4) 离子位移极化率离子位移极化率静态极化率静态极化率令令00，可得静态极化率，可得静态极化率离子位移极化建立的时间约为离子位移极化建立的时间约为1010-12-12-10-10-13-13秒秒离子位移极化和电子位移极化的表达式一样，都具有弹性偶极子的极化性质离子位移极化和电子位移极化的表达式一样，都具有弹性偶极子的极化性质2021/6/1637比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。五、松弛极化五、松弛极化松弛质点：松弛质点
33、：松弛质点由于热运动使之分布混乱，松弛质点由于热运动使之分布混乱， 电场力使之按电场规电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。律分布，在一定温度下发生极化。材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子松弛极化松弛极化：松弛极化的特点：松弛极化的特点：2021/6/1638 弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是不可逆的迁移。电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是不可逆的迁移。这种迁移的行程比弹性位移距离大。这种迁移的行程比弹性位移距离大
34、。（一）离子松弛极化（一）离子松弛极化1 1）强联系离子）强联系离子： 在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联系离子。稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联系离子。它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化2) 2) 弱联系离子：弱联系离子： 在玻璃态物质、结构松散的离于品体中以及晶体的杂质和缺陷区在玻璃态物质、结构松散的离于品体中以及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移，称为弱联系离子。域，离子本身能量较高，易被活化迁移，称为弱联系离子。202
35、1/6/1639只能在结构松散区或缺陷区附近移动，需要越过势垒只能在结构松散区或缺陷区附近移动，需要越过势垒U U松松，由于，由于U U松松U U电导电导，所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率。，所以离子参加极化的几率远大于参加电导的几率。离子松弛极化与离子电导势垒离子松弛极化与离子电导势垒 U U结点上离子迁移需克服的势垒；结点上离子迁移需克服的势垒；U U填隙离于迁移需克服的势垒填隙离于迁移需克服的势垒。3) 3) 离子松弛极化的迁移和离子电导的区别离子松弛极化的迁移和离子电导的区别：离子松弛极化的迁离子松弛极化的迁移和离子电导不同移和离子电导不同离子电导是离子作远程迁移离子电导是离
36、子作远程迁移 离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移2021/6/1640设单位体积的介质中弱联系设单位体积的介质中弱联系离子总数为离子总数为n n0 0，则沿轴进行，则沿轴进行热运动的离子数为热运动的离子数为n n0 0 /3 /3，沿，沿x x轴正向热运动的离子数为轴正向热运动的离子数为n n0 0 /6/6，沿，沿x x铀负向热运动的离子铀负向热运动的离子数也为数也为n n0 0 /6 /6 。 4)4)离子松弛极化离子松弛极化设缺陷区内有两个平衡位置1及2，当离子热运动超过位垒U时，离子就会从1转移到2，或从2转移到1。 设单位体积内占有位置设单位体积内占
37、有位置1 1和和2 2的离子数分别为的离子数分别为n n1 1，n n2 2，则，则2021/6/1641n n2 2-n-n1 1=2 =2 n n由由2 2到到1 1的离子数应为的离子数应为则则dtdt时间内，时间内，n n1 1的变化为的变化为式中负号表示对位置式中负号表示对位置1 1来说为减少。来说为减少。平衡时，设位置平衡时，设位置1 1离子减少离子减少n n ，则位置，则位置2 2的离子数增加的离子数增加n n 单位时间内由单位时间内由1 1到到2 2的离子数的离子数为离子的固有振动频率为离子的固有振动频率 当有外电场当有外电场E E作用时，离子从作用时，离子从1 1到到2 2与从
38、与从2 2到到l l所克服的势垒不同，分别为所克服的势垒不同，分别为（U U- - U U），（），（U U+ + U U ），这样沿），这样沿x x轴正向转移的离子数就会大于沿轴正向转移的离子数就会大于沿x x轴负向转移的离子数。轴负向转移的离子数。2021/6/1642当U1,在低频电压下，在低频电压下，1,与与2成正比。成正比。r=(0)-/(1+22)介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与松弛极化过程有关。外施电压一定时外施电压一定时: :2021/6/1686871）当外加电场频率很低，即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
39、电导损耗引起，PW和频率无关。tg=/，则当0时，tg。随着的升高，tg减小。三、三、 介质损耗的影响因素介质损耗的影响因素频率、温度、湿度频率、温度、湿度1.1.频率的影响频率的影响2021/6/1687882）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。在这一频率范围内，由于1，此时tg随升高而减小。时，tg0。2021/6/168990（1）当温度很低时,较大,由德拜关系式可知,r较小，tg也较小2.2.温度的影响温度的影响在此温度范围内，随温度上升，减小，r、tg和PW上升。温度对松弛极化产生影响，因而P，和
40、tg与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，离子间易发生移动，松弛时间常数减小。2021/6/169091(2)当温度较高时，大于Tm，较小，此时在此温度范围内，随温度上升，减小，tg减小。PW主要决定于极化过程， PW也随温度上升而减小。2021/6/169192（3）当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，r下降。电导损耗剧烈上升，tg也随温度上升急剧上升。2021/6/169293介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使tg增大。对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特
41、别突出，如，纸内水分含量从4增加到10时，其tg可增加100倍。 3.3.湿度的影响湿度的影响2021/6/169394四、压碱效应和双碱效应四、压碱效应和双碱效应（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应（一）玻璃态电导的压碱效应和双碱效应1 1、玻璃电导中为什、玻璃电导中为什么采用压碱效应和双么采用压碱效应和双碱效应？碱效应？因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延因为玻璃的结构松散，碱金属离子不能与两个氧原子联系以延长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。长点阵网络，形成弱联系离子，所以电导会增加。2 2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的
42、作用减小玻璃减小玻璃电导率电导率3 3、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的机理 指当玻璃中碱指当玻璃中碱 金属离子总浓度较大时金属离子总浓度较大时( (占玻璃组成占玻璃组成25-25-30%)30%)，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含，碱金属离子总浓度相同的情况下，含两种碱金属离子比含一种碱金属离子的玻璃电导率要小。一种碱金属离子的玻璃电导率要小。A.A.双碱效应：双碱效应：2021/6/169495R K+R Li+，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小， K+只能通过本身的空位；Li+进入大体积空位
43、，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；相互干扰的结果使电导率大大下降。以K2O、Li2O为例例例2021/6/169596指含碱破璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低，相应的阳离子半径越大，这种效应越强。压碱效应机理压碱效应机理由于二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，以致堵住了迁移通道，使碱金属离子移动困难，因而电导率降低。结论：结论：一般玻璃相的电导率比晶体相高。因此对介质材料应尽一般玻璃相的电导率比晶体相高。因此对介质材料应尽量减少玻璃相的电导。量减少玻璃相的电导。B.B.压碱效应
44、压碱效应：2021/6/169697（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应（一）玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应1 1、玻璃、玻璃损耗损耗中为什中为什么采用压碱效应和么采用压碱效应和双碱效应？双碱效应？因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大2 2、玻璃态电导的压碱效应和双碱效应的作用、玻璃态电导的
45、压碱效应和双碱效应的作用减小玻璃减小玻璃损耗损耗2021/6/169798两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，在碱性氧化物的一定两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，在碱性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。3 3、玻璃态损耗的压碱效应和双碱效应的机理、玻璃
46、态损耗的压碱效应和双碱效应的机理A.双碱效应：双碱效应：在在含含碱碱玻玻璃璃中中加加入入二二价价金金属属氧氧化化物物，特特别别是是重重金金属属氧氧化化物物时时，压压抑抑效效应应特特别别明明显显。因因为为二二价价离离子子有有二二个个键键能能使使松松弛弛的的碱碱玻玻璃璃的的结结构构网网巩巩固固起来，减少松弛极化作用，因而使起来，减少松弛极化作用，因而使tgtg降低。降低。B.B.压碱效应压碱效应2021/6/169899电介质损耗用作一种电加热手段，即利用高频电场（一般为0.3300兆赫）对电介质损耗大的材料（如木材、纸、陶瓷等）进行加热。频率高于300兆赫时，达到微波波段，即为微波加热（家用微波
47、炉即据此原理）。五、介电损耗的应用五、介电损耗的应用当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合，应尽量采用介质损耗因数（即电介质损耗角正切tg，它是电介质损耗与该电介质无功功率之比）较低的材料。2021/6/1699100 总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围量部分地传给周围“分子分子”，使电磁场能量转变为，使电磁场能量转变为“分分子子”的热振
48、动，能量消耗在使电介质发热效应上。的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。结论：结论：2021/6/161001014.3 介电击穿介电击穿 一、介质的击穿一、介质的击穿二、击穿类型二、击穿类型热击穿热击穿电击穿电击穿化学击穿化学击穿三、改善击穿的措施三、改善击穿的措施本节内容本节内容复习复习 1、电介质产生损耗的原因？2、表征电介质损耗的复介电常数的表达式及含义是什么？3、介质损耗的影响因素。2021/6/16101102一、介质的击穿一、介质的击穿在强电场作用下，电介质在强电场作用下，电介质丧失电绝缘能力丧失电绝缘能力，电介质的电导突然增大甚至引电介质的电导突然增大甚至引起起结构损坏或破碎
49、结构损坏或破碎，称为介电击穿。，称为介电击穿。a.可用击穿效应来破碎非金属矿石等b.击穿是标志电介质在电场作用下保持绝缘性能的极限能力，是决定电力设备，电子元器件最终使用寿命的重要因素。+_eee+_eeeeeee1.1.介电击穿介电击穿2021/6/161021033.3.介电强度介电强度2.2.击穿电压击穿电压导致击穿的最低临界电压称为击穿电压。电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强电介质能够经受而不致损坏的最大电场称为击穿场强, ,即介电强度Ec，是绝缘性能好坏的一个重要标志。是绝缘性能好坏的一个重要标志。均匀电场介电强度: :击穿电压与固体电介质厚度之比称为击穿电场强度（简称击
50、穿场强，又称介电强度），它反映固体电介质自身的耐电强度。不均匀电场介电强度:击穿电压与击穿处固体电介质厚度之比称为平均击穿场强，它低于均匀电场中固体电介质的介电强度。2021/6/16103104在在电电场场作作用用下下，固固体体电电介介质质承承受受的的电电场场强强度度虽虽不不足足以以发发生生电电击击穿穿，但但因因电电介介质质内内部部热热量量积积累累、温温度度过过高高而而导导致致失失去去绝绝缘缘能能力力，从从而而由由绝绝缘缘状状态态突突变变为为良良导电状态。导电状态。 （一）（一） 固体电介质的热击穿固体电介质的热击穿1 1）热击穿的本质）热击穿的本质发生在高频、高压下。热击穿的核心问题是散热
51、问题。二、固体电介质的击穿类型及影响因素二、固体电介质的击穿类型及影响因素热击穿、电击穿和电化学击穿2021/6/16104105Q1：单位时间内固体电介质的发热量Q2:单位时间内固体电介质的散热量E3 Ec E12 2）热击穿过程）热击穿过程固体电介质在电场作用下将因电导和极化损耗而发热。A.A.外加电场为外加电场为E E3 3 E Ec c 固体电介质中的发热量固体电介质中的发热量Q Q1 1大于散大于散热量热量Q Q2 2 ，介质温度上升，且因，介质温度上升，且因Q Q1 1 始终大于始终大于Q Q2 2，所以固体电介质，所以固体电介质的温度不断上升，最终介质被的温度不断上升，最终介质被
52、烧烧焦、烧熔、或烧裂，丧失绝缘性焦、烧熔、或烧裂，丧失绝缘性能能，发生热击穿。，发生热击穿。2021/6/16105106B.B.外加电场为外加电场为E E1 1 Q Q2 2 ，固固体体电电介介质质温温度度上上升升；但但当当温温度度度度升升到到TcTc时时，发发热热量量与与散散热热量量 相相等等，建建立立起起了了热热平平衡衡。此此时时，若若介介质质能能耐耐受受温温度度T Tc c的的作作用用，则则固固体体电电介介质质能能正正常常工工作作，不不会会发发生热击穿。生热击穿。C.外加电压为等于外加电压为等于Ec当当介介质质温温度度升升到到Tc时时，建建立立起起了了热热平平衡衡，但但不不稳稳定定。温
53、温度度略略有有升升高高，发发热热量量Q1即即大大于于散散热热量量Q2，最最终终仍仍然然发发生生热热击击穿穿。电电场场强强度度Ec是是发发生生热击穿的临界场强热击穿的临界场强Ec 。介质中发热与散热平衡关系示意图2021/6/16106107A，B是与材料有关的常数。(1)热击穿电压随环境温度升高而降低。(2)热击穿电压大致不随介质的厚度变化。 1）温度不均匀的厚膜介质2.温度均匀薄膜介质e为自然对数的底，Uc随试样厚度的平方根而变化。3 3）热击穿电压）热击穿电压2021/6/16107108电击穿是介质在强电场作用下,被击发出自由电子而引起电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。
54、若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。（二）（二） 固体介质的电击穿固体介质的电击穿电击穿 取决于固体电介质中碰撞电离的一种击穿形式。电场使电介质中积聚起足够数量和足够能量的自由电子，导致电介质丧失绝缘性能。1 1）电击穿的本质）电击穿的本质Eeeeeeee2021/6/161081091)外加电场为外加电场为 E2 Ec一部分传导电子的能量处于一部分传导电子的能量处于W2 Wc 之间，之间，单位时间内这些电子取得的能量单位时间内这些电子取得的能量A始
55、终大于失始终大于失去的能量去的能量B，电子被加速，碰撞晶格时产生电，电子被加速，碰撞晶格时产生电离，使处于离，使处于导带的电子不断增加导带的电子不断增加，电流急剧上，电流急剧上升，最终导致固体电介质击穿。升，最终导致固体电介质击穿。2)外加电场为外加电场为E1 B而使晶格发生碰撞电离、产生新的而使晶格发生碰撞电离、产生新的传导电子；但因电子能量大于传导电子；但因电子能量大于W1 的概率很低的概率很低,所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体所以传导电子不断增多的过程很难出现，固体电介质不会击穿。电介质不会击穿。A、B与W的关系E2EcE1晶格温度T为定值介电强度介电强度: :处于临界状态的处于
56、临界状态的E Ec c 即为固体电介质的即为固体电介质的介电强度介电强度A:A:单位时间内这些电子取单位时间内这些电子取得的能量得的能量B:B:单位时间内传导电子失单位时间内传导电子失去的能量去的能量E:E:电场强度电场强度W:W:电子本身能量电子本身能量T:T:晶格温度晶格温度2）电击穿的过程）电击穿的过程2021/6/161091103 3）击穿场强）击穿场强多发生在温度较低、电压作用时间较短时，纯净、均匀固体电介质中。当电场上升到使平衡破坏时，碰撞电离过程便立即发生。把这一起始场强作为介质电击穿场强的理论即为本征击穿理论.A.A.本征电击穿理论本征电击穿理论本征电击穿场强，随温度升高而降
57、低。温度温度2021/6/161101111）“雪崩”电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值（足以破坏介质绝缘状态）作为电击穿判据。2）Seitz提出以电子“崩”传递给介质的能量足以破坏介质晶体结构作为击穿判据。B. “B. “雪崩雪崩”电击穿理论电击穿理论电击穿判据：本征击穿理论中增加导电电子是继稳态破坏后突然发生的，而“雪崩”击穿是考虑到高场强时，导电电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度，最终介质晶格破坏。 “雪崩雪崩”电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别电击穿和本征电击穿在理论上有明显的区别：2021/6/16111112“四十代理论四十代理论”从阴极出发的电子，一方面进行“雪崩
58、”倍增；另一方面向阳极运动。由阴极出发的初始电子，在其向阳极运动的过程中，1cm内的电离次数达到40次，介质便击穿。一般用来说明“雪崩”击穿的形成，并称之为“四十代理论”。由“四十代理论”可以推断，当介质很薄时，碰撞电离不足以发展到四十代，电子崩已进入阳极复合，此时介质不能击穿，即这时的介质击穿场强将要提高。2021/6/16112113在电场、温度等因素作用下，固体电介质因缓慢的化学变化，而引起其电气性能逐渐劣化，最终由绝缘状态突变为良导体状态的过程。（三）电化学击穿（三）电化学击穿包括两部分：因固体电介质发生化学变化而引起的电介质老化；与老化有关的击穿过程。 2 2）电化学击穿过程）电化学
59、击穿过程1 1）电化学击穿本质）电化学击穿本质电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。2021/6/161131141）直流电压下，固体电介质因离子电导而发生电解发生电解，结果在电极附近形成导电的金属树状物，甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路2）在电场作用下，固体电介质内部的气泡中，或不同固体电介质之间的气隙或油隙中，会发生局部放电，局部放电，造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。 化学老化击穿过程化学老化击穿过程与离子电导陶瓷的电与离子电导陶瓷的电化学老化的异同？化学老化的异同？温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越
60、容易发生。 温度温度Eeee2021/6/16114115 (1)阳离子-阳离子电导 参加导电的为阳离子。同时电极的Ag+也能参与漏导。最后两种离子在阴极处都被电子中和，形成新物质。 (2)阴离子-阳离子电导 参加导电的既有正离子，也有负离子。它们分别在阴极、阳极被中和，形成新物质。 离子陶瓷材料的电化学老化现象离子陶瓷材料的电化学老化现象指在电场作用下，由于化学变化引起材料电性能不可逆的恶化。电化学老化的原因电化学老化的原因离子在电极附近发生氧化还原过程Ag+eAg2Cl-2eCl22021/6/16115116(3)电子-阳离于电导参加导电的为一种阳离子，还有电子。例如含钛陶瓷，阳离子Ti
61、4+发生电还原过程Ti4+eTi3+(4)电子-阴离子电导参加导电的为一种阴离子，还有电子。例如TiO2在高温下发生缺氧过程，在高温下，氧离子在阳极放出氧气和电子，在阴极Ti4+被还原成Ti3+阴极4Ti4+4e4Ti3+阳极2O2-O2+4e介质中的离子至少有一种参加电导。如果电导纯属电子，则电化学者化不可能发生。电化学老化的必要条件电化学老化的必要条件2021/6/16116117同一种电介质中发生何种形式的击穿，取决于不同的外界因素。随着击穿过程中固固体电介质内部的变化，击穿过程可以从一种形式转为另一种形式。三、影响击穿的因素三、影响击穿的因素温度温度2021/6/16117118根据固
62、体电介质的击穿形式及影响击穿电压的因素，提高固体电介质击穿电压的主要措施有：改善电场电场分布，如电极边缘的固体电介质表面涂半导电漆；调整多层绝缘中各层电介质所承受的电压；对多孔性、纤维性材料晶干燥后浸油、浸漆。以防止吸潮，提高局部放电起始电压；加强冷却，提高热击穿电压；改善环境条件，防止高温，避免潮气臭氧等有害物质的侵蚀。 四、提高击穿电压措施四、提高击穿电压措施2021/6/16118119一、铁电体，铁电体的特点一、铁电体，铁电体的特点二、铁电体的居里外斯定律二、铁电体的居里外斯定律三、铁电性的特点三、铁电性的特点本节内容：本节内容： 复习：复习：1 1、介电击穿的类型、介电击穿的类型2
63、2、影响介电击穿的因素、影响介电击穿的因素PEOABECPrCPs4.44.4铁电性铁电性2021/6/161191201 1）铁电体是非线性介质）铁电体是非线性介质即即极化强度极化强度和和外施电压外施电压的关系是非线性的。的关系是非线性的。一、铁电体一、铁电体没有外加电场时，介质的极化强度等于零。没有外加电场时，介质的极化强度等于零。有外电场时，介质的极化强度与宏观电场有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E E成正比。成正比。备注：备注：线性介质线性介质 是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且是一类特殊的电介质材料，在一定温度范围内含有能自发极化，并且发极化方向可随外电
64、场作可逆转动的晶体。发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。1 1、铁电体的特点、铁电体的特点2021/6/16120121 即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特即其极化状态并非由外电场所引起，而是由晶体内部结构特点所引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。点所引起，晶体中每个晶胞内存在固有电偶极矩。2 2）铁电体是极性晶体）铁电体是极性晶体注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体注意：铁电晶体一定是极性晶体，但并非所有的极性晶体都是铁电体2021/6/16121122Ba2+Ti4+O-3 3）铁电体的极化是自发极化）铁电体的极化是自发极化第二类是第二类是有
65、序有序无序型无序型，其自发极化同个别离子的有序化相联系；，其自发极化同个别离子的有序化相联系；典典型型的的有有序序无无序序型型晶晶体体是是含含有有氢氢键键的的晶晶体体，这这类类晶晶体体中中质质子子的的有有序序化化运动引起自发极化，例如运动引起自发极化，例如KHKH2 2POPO4 4晶体，该晶体具有铁电体的特征。晶体，该晶体具有铁电体的特征。A.A.按相转变的自发极化机构按相转变的自发极化机构铁电体铁电体分两类分两类 ：第一类是第一类是位移型位移型，其自发极化同一类离，其自发极化同一类离子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体子的亚点阵相对于另一类亚点阵的整体位移相联系。位移相联系。位移型位移型铁电
66、体的结构大多同钙钛矿结构铁电体的结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型及钛铁矿结构紧密相关。钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体。的钙钛矿型的铁电体。 2021/6/16122123铁电体铁电体2021/6/16123124 例例1 1：由位移引起的自发极化：由位移引起的自发极化 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新胞中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。的位置上稳定下来，同时晶体结构发生
67、了畸变。钛酸钡的结构：钙钛矿型结构钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 Ba2+Ti4+O-其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。其自发极化的出现主要是晶体中原子（离子）位置变化的结果。B.B.铁电体的自发极化的机制铁电体的自发极化的机制2021/6/16124125极化前晶体结构：极化前晶体结构：等轴晶系（大于等轴晶系（大于120oC） ： 晶胞常数：晶胞常数：a=4.01A 氧离子的半径：氧离子的半径：1.32A 钛离子的半径：钛离子的半径： 0.64钛离子处于氧八面体中，钛离子处于氧八面体中，两个氧离子间的空隙为：两个氧离子间的空隙为：4.012 1.32= 1.37钛离子的直径
68、：钛离子的直径：2 0.64= 1.28钛酸钡的结构：钙钛矿型结构钛酸钡的结构：钙钛矿型结构 自发极化过程：自发极化过程：氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。氧八面体空腔体积大于钛离子体积，给钛离子位移的余地。较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上较高温度时，热振动能比较大，钛离子难于在偏离中心的某一个位置上固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极固定下来，接近六个氧离子的几率相等，晶体保持高的对称性，自发极化为零。化为零。Ba2+Ti4+O-2021/6/16125126温度降低到温度降低到120，低于距，低于距离温度，钛离子平均
69、热振动离温度，钛离子平均热振动能降低，因热涨落，热振动能降低，因热涨落，热振动能特别低的离子占很大比例，能特别低的离子占很大比例，其能量不足以克服氧离子电其能量不足以克服氧离子电场作用，有可能向某一个氧场作用，有可能向某一个氧离子靠近，在新平衡位置上离子靠近，在新平衡位置上固定下来，并使这一氧离子固定下来，并使这一氧离子出现强烈极化，发生自发极出现强烈极化，发生自发极化，使晶体顺着这个方向延化，使晶体顺着这个方向延长，晶胞发生轻微畸变，由长，晶胞发生轻微畸变，由立方变为四方晶体。立方变为四方晶体。 Ba2+Ti4+O- 2021/6/16126127-+-+-+-+极化轴C-+-+纤锌矿纤锌矿
70、(ZnS)结构在（结构在（010）上投影）上投影表示晶体极性链表示晶体极性链的两种方法的两种方法例例2：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构：具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构+-+-固固有有偶偶极极子子正正电电荷荷层层与与负负电电荷荷层层交交替替排排列列-+-+-+-+2021/6/161271284 4）铁电体具有）铁电体具有铁电性铁电性 在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化。体具有自发极化。晶体的这种性质叫晶体的这
71、种性质叫铁电性铁电性（ferroelectricityferroelectricity）。）。 当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩当铁电体的晶胞自发极化而出现电矩时，相邻晶胞的电矩可以同向排列形成电畴，并出现可以同向排列形成电畴，并出现铁电性铁电性；相间反向排列而成为相间反向排列而成为反铁电性反铁电性。 与铁磁体的磁滞回线形状类似与铁磁体的磁滞回线形状类似,所以人们把这类晶体称为所以人们把这类晶体称为铁电体铁电体(其实晶体中并不含有铁其实晶体中并不含有铁)2021/6/16128129在自发极化出现前的非极性晶体称为在自发极化出现前的非极性晶体称为顺电性晶体顺电性晶体。顺电性晶
72、体与铁电性晶体的转变温度称为顺电性晶体与铁电性晶体的转变温度称为铁电居里点铁电居里点TC。当当TTC时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时时，铁电相转变为顺电相，电滞回线消失，这时P与与E一般有线一般有线性关系性关系P=0E，并且介电常数服从居里外斯定律，并且介电常数服从居里外斯定律C为居里常数，为居里常数，为特征温度。为特征温度。代表电子位移极化对介电常数的贡献代表电子位移极化对介电常数的贡献二、铁电体的居里外斯定律二、铁电体的居里外斯定律居里点附近居里外斯定律为居里点附近居里外斯定律为忽略2021/6/16129130指铁电体的微观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质指铁电体的微
73、观结构性质，以及因此而可能显示出来的宏观性质 电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居电滞回线、电畴结构、自发极化以及相应的晶胞形变（自发应变）、居里点、居里外斯定律等。里点、居里外斯定律等。（一）铁电性几个重要特征（一）铁电性几个重要特征1 1、铁电畴、铁电畴 铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内，各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为化方向相同，这个小区域就称为铁电畴铁电畴(ferroelectric domains)。 两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互成两畴之间的界壁称为畴壁。
74、若两个电畴的自发极化方向互成90 ，则，则其畴壁叫其畴壁叫90 畴壁。此外，还有畴壁。此外，还有180 畴壁等。畴壁等。三、铁电体的铁电性三、铁电体的铁电性180 和和 90 畴畴1）铁电畴的形成铁电畴的形成2021/6/16130131 与与晶晶体体结结构构有有关关。BaTiOBaTiO的的铁铁电电相相晶晶体体结结构构有有四四方方、斜斜方方、菱菱形形三三种种晶晶系系，它它们们的的自自发发极极化化方方向向分分别别沿沿001001，011011，111111方方向向，这这样样，除除了了9090和和180180畴畴壁壁外外，在在斜斜方方晶晶系系中中还还有有6060和和120120畴畴壁壁，在在菱菱
75、形形晶晶系系中中还还有有7171，109109畴畴壁。壁。2）电畴取向）电畴取向2021/6/16131132无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无外加电场时，电畴在晶体中分布杂乱无章，使整个晶体表现为电中性，宏观无章，使整个晶体表现为电中性，宏观上无极性。上无极性。外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，外电场作用时，沿电场方向极化畴长大，逆电场方向的畴消失，其它方向分布的逆电场方向的畴消失，其它方向分布的电畴转到电场方向，极化强度随外加电电畴转到电场方向，极化强度随外加电场的增加而增加，一直到整个结晶体成场的增加而增加，一直到整个结晶体成为一个单一的极化畴为止。为一个单一的极化畴为止。如再继续增
76、加电场只有电子与离子的极如再继续增加电场只有电子与离子的极化效应，和一般电介质一样。化效应，和一般电介质一样。3） 电畴运动电畴运动-极化过程极化过程 电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展以及畴壁的移动来实现的。及畴壁的移动来实现的。2021/6/16132133铁电电滞回线铁电电滞回线(Ps为自发极化强度，为自发极化强度，Ec为矫顽力）为矫顽力）电滞回线是铁电态的一个标志电滞回线是铁电态的一个标志铁电体是电介质材料中一个很重要的分支，铁电体是电介质材料中一个很重要的分支，它是一种特殊相变的产物。它是一种特殊相变的产物。在从高对称性转变为低
77、对称性的过程中，在从高对称性转变为低对称性的过程中，伴随着发生自发极化或亚点阵极化。伴随着发生自发极化或亚点阵极化。1 1）电滞回线的形成）电滞回线的形成铁电体微观结构的特点决定了它有许多特铁电体微观结构的特点决定了它有许多特殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。殊的宏观性质，从而区别于普通电介质。2 2、铁电体的电滞回线、铁电体的电滞回线铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述宏观描述。PEOABECPrCPs2021/6/16133134沿电场方向的电畴扩展，变大；沿电场方向的电畴扩展，变大；而与电场反平行方向的电畴则变小。而与电场反平
78、行方向的电畴则变小。极化强度随外电场增加而增加，如极化强度随外电场增加而增加，如图中图中oA段曲线。段曲线。电场强度继续增大，最后晶体电电场强度继续增大，最后晶体电畴方向都趋于电场方向，类似于单畴方向都趋于电场方向，类似于单畴，极化强度达到饱和，这相当于畴，极化强度达到饱和，这相当于图中图中C附近的部分。附近的部分。铁电电滞回线铁电电滞回线A.A.施加电场施加电场EPOABECPrCPsPsPr2021/6/16134135自发极化强度自发极化强度PsPs ：铁电晶体晶胞中的电偶极矩是电介质在转：铁电晶体晶胞中的电偶极矩是电介质在转变为铁电体时自发出现的变为铁电体时自发出现的, , 其数值为一
79、定值。这个数值除以晶其数值为一定值。这个数值除以晶胞的体积所得到的商称为自发极化强度胞的体积所得到的商称为自发极化强度P PS S。 再增加电场，再增加电场，P P与与E E成线成线性关系性关系( (类似于单个弹性偶类似于单个弹性偶极子极子) )。将这线性部分外推。将这线性部分外推至至E=0E=0时的情况，此时在纵时的情况，此时在纵轴轴P P上的截距称为上的截距称为自发极化自发极化强度强度PsPs。自发极化强度自发极化强度P Ps sPOABECPrCPsPsPrE E2021/6/16135136B.B.去电场过程去电场过程晶体的极化强度亦随之减小晶体的极化强度亦随之减小在零电场处，仍存在在
80、零电场处，仍存在剩余极化剩余极化强度强度P Pr r。剩余极化：剩余极化：9090电畴的转向是不充分的，而且，由于转向时引起较大电畴的转向是不充分的，而且，由于转向时引起较大内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴内应力，所以这种转向不稳定。当外加电场撤去后，则有小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，偏离极化方向，恢复原位，大部分电畴则停留在新转向的极化方向上，这叫这叫剩余极化剩余极化。一般在外电场作用下，一般在外电场作用下，180 180 畴转向比较充分畴转向比较充分, , 比较稳定。比较稳定。剩余极化强度剩余极化强度PrPr：POABE
81、CPrCPsPsPrE E2021/6/16136137反向电场继续增大，极化强度才开始反反向电场继续增大，极化强度才开始反向。向。C.C.施加反向电场施加反向电场矫顽力矫顽力EcEc达到一值达到一值EcEc，剩余极化全部消失。，剩余极化全部消失。 Ec Ec常称为矫顽电场强度，常称为矫顽电场强度，如如果它大于晶体的击穿场强，那么果它大于晶体的击穿场强，那么在极化强度反向前，晶体就被击在极化强度反向前，晶体就被击穿，则不能说该晶体具有铁电性。穿，则不能说该晶体具有铁电性。 由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数。一般以由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数。一般以OAOA在原点的斜率来
82、代表介电常数。在原点的斜率来代表介电常数。POABECPrCPsPsPrE2021/6/16137138a）极化温度的影响）极化温度的影响 极化温度较高的，其电滞回线形状比较极化温度较高的，其电滞回线形状比较细长。因为温度高时电畴运动容易，因而细长。因为温度高时电畴运动容易，因而矫顽力和达到饱和极化强度需的极化电压矫顽力和达到饱和极化强度需的极化电压都降低。都降低。 b）环境温度的影响）环境温度的影响 内部自发极化发生改变，尤其是在相界内部自发极化发生改变，尤其是在相界处处(晶型转变温度点晶型转变温度点)变化最为显著。例如，变化最为显著。例如，Ba-TiO3在居里温度附近，电滞回线逐渐在居里温
83、度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线闭合为一直线(铁电性消失铁电性消失)。A.A.温度温度2）电滞回线形状的影响因素）电滞回线形状的影响因素“预极化预极化”工艺：铁电畴在外电场作用下的工艺：铁电畴在外电场作用下的“转向转向”，使得介质材料，使得介质材料具有具有宏观剩余极化强度宏观剩余极化强度，即材料具有，即材料具有“极性极性” 。POABECPrCPsPsPrE2021/6/16138139B.B.极化时间和极化电压对电滞回线的影响极化时间和极化电压对电滞回线的影响 电畴转向需要一定的电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，时间，时间适当长一点，极化就可以充分化强度。极化就可以充分化强度。 极化电
84、压对电畴转向极化电压对电畴转向有类似的影响、极化电压有类似的影响、极化电压加大，电畴转向程度高，加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。剩余极化变大。POABECPrCPsPsPrE2021/6/16139140BaTiOBaTiO3 3单晶和多晶体电滞回线单晶和多晶体电滞回线就不完全相同：就不完全相同：BaTiOBaTiO3 3单晶的电滞回线既窄又陡单晶的电滞回线既窄又陡接近于矩形接近于矩形， PsPs和和PrPr很接近，而且很接近，而且PrPr较高；较高；BaTiOBaTiO3 3陶瓷的电滞回线既宽又斜。陶瓷的电滞回线既宽又斜。C.C.晶体结构对电滞回线的影响晶体结构对电滞回线的影响 BaTi
85、OBaTiO3 3陶陶瓷瓷的的电电畴畴结结构构与与BaTiOBaTiO3 3单单晶晶电电畴畴结结构构的的差差异异，导导致致两两者者之之间间在在铁铁电电性性质质方方面面的的微小差别。微小差别。原因原因2021/6/16140141铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工铁电材料在外加交变电场作用下都能形成电滞回线，不同材料和不同工艺条件对电滞回线的形状都有很大的影响。艺条件对电滞回线的形状都有很大的影响。3 3）电滞回线的意义）电滞回线的意义A.A.判定铁电体的依据判定铁电体的依据 B. B.由于有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。由于有剩余极化强度，因而
86、铁电体可用来作信息存储、图象显示。目前已经研制出一些透明铁电器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全目前已经研制出一些透明铁电器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，使透明介质息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，使透明介质的光学性质变化。的光学性质变化。2021/6/16141142 纯钛酸钡陶瓷的介电常数在室温时约1400，在居里点(120)附近，介电常数增加很快，可高达6000-l0000。四、铁电体的介电特性四、铁电体的介电特性移蜂效应移蜂效应在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低
87、温或高温方向移动，这就是“移蜂效应”。 为了在工作情况下(室温附近)材料的介电常数和温度关系尽可能平缓，即要求居里点远离室温温度，如加入PbTiO3可使BaTiO3居里点升高。移峰的目的移峰的目的2021/6/16142143 如在如在BaTiO3中加入中加入Bi2/3SnO3 ，其居里点几，其居里点几乎完全消失，显示出直线性的温度特性可认为乎完全消失，显示出直线性的温度特性可认为其机理是加入非铁电体后，破坏了原来的内电其机理是加入非铁电体后，破坏了原来的内电场，使自发极化减弱，即铁电性减小。场，使自发极化减弱，即铁电性减小。压峰效应压峰效应 为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低为了降低居里点处的介电常数的蜂值，即降低-T-T非线性，非线性，也使工作状态相应于也使工作状态相应于-T-T平缓区。平缓区。 压峰的目的压峰的目的2021/6/16143 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！
