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1、 3.1.6 电介质极化机制特征电介质极化机制特征极化的基本形式：极化的基本形式：1 电子极化，电子极化， 2 离子极化离子极化3 偶极化偶极化4 空间电荷极化空间电荷极化时间，时间， 弛豫情况，弛豫情况，弹性、消耗能量弹性、消耗能量1. 电子位移极化电子位移极化 electronic电子位移极化电子位移极化无电场作用无电场作用+ E电子位移极化电子位移极化-电场作用电场作用电子位移极化电子位移极化 ：在外电场作用下，原子外围的电子云发生相对位移在外电场作用下，原子外围的电子云发生相对位移形成的极化。形成的极化。 时间最短，时间最短，10-1410-16s。是弹性的，就是电场消失后，立刻回复原
2、状态是弹性的，就是电场消失后，立刻回复原状态不消耗能量。不消耗能量。 2. 离子位移极化离子位移极化 Ionic离子位移极化：离子键晶体，离子位移极化：离子键晶体，晶格离子晶格离子在电场的作用在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。下，偏移平衡位置引起的极化。极化过程很快，时间很短，极化过程很快，时间很短，10-1210-13s。是弹性的，电场消失立刻复原是弹性的，电场消失立刻复原不消耗任何能量。不消耗任何能量。3. 偶极极化偶极极化 dipole 结合不紧密的缺陷，弱联系结合不紧密的缺陷，弱联系的偶极子的偶极子沿电场方向转动、排列时，要克服惯性和旋转沿电场方向转动、排列时，要克服惯性和旋转阻
3、力，完成取向极化所需时间比电子极化和离阻力，完成取向极化所需时间比电子极化和离子极化长。子极化长。一旦极化，恢复到原来的状态也需要一定的时一旦极化，恢复到原来的状态也需要一定的时间，具有弛豫间，具有弛豫极化时因需克服相互作用力，因此也消耗部分极化时因需克服相互作用力，因此也消耗部分能量。能量。特点特点：极化移动较大距离，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，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，有一定的有一定的驰豫驰豫，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。4. 空间电荷极化空间电荷极化在不均匀介质中，如存在在不均匀介质中，如存在晶界、相
4、界、晶格畸变、晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡杂质、气泡缺陷区；缺陷区；在该处，自由电子积聚，形成空间电荷极化在该处，自由电子积聚，形成空间电荷极化-+-+-+外电场外电场P 各种极化的比较各种极化的比较种类种类频率频率范围范围温度温度能量能量消耗消耗电子极化电子极化陶瓷陶瓷光频光频无关无关无无离子极化离子极化离子结构离子结构红外红外温度升高极化增温度升高极化增强强很弱很弱偶极化偶极化不紧密的结合缺不紧密的结合缺陷陷中、中、高频高频随温度变化有极随温度变化有极大值大值有有空间电荷空间电荷结构不均匀材料结构不均匀材料高频高频随温度升高而减随温度升高而减小小有有 各种极化的比较各种极化的比较种类种
5、类频率范围频率范围温度温度能量能量消耗消耗电子极化电子极化一切陶瓷一切陶瓷光频光频无关无关无无离子极化离子极化离子结构离子结构红外红外温度升高极化增温度升高极化增强强很弱很弱偶极化偶极化不紧密的结不紧密的结合缺陷合缺陷中、高频中、高频随温度变化有极随温度变化有极大值大值有有空间电荷空间电荷结构不均匀结构不均匀的材料的材料高频高频随温度升高而减随温度升高而减小小有有S-ChargeDipoleIonic电子电子 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 极化的频率特性极化的频率特性La3+:PbWO42(LaPb3+).-VPb”种类种类频率频率温温 度度能量能量消耗
6、消耗电子极化电子极化陶瓷陶瓷光频光频无关无关无无离子极化离子极化离子结构离子结构红外红外温度升高极化增强温度升高极化增强很弱很弱偶极化偶极化不紧密的结不紧密的结合缺陷合缺陷中、中、高频高频随温度变化有极大值随温度变化有极大值有有空间电荷空间电荷结构不均匀结构不均匀材料材料高频高频随温度升高而减小随温度升高而减小有有La3+，Li+-doped PbWO4 3.1.7 极化性能测试极化性能测试小小 结结 加电场作用于电介质上时将发生极化现象，即加电场作用于电介质上时将发生极化现象，即介质中的电荷将随电场的变化而有一空间分布。介质中的电荷将随电场的变化而有一空间分布。 极化机制以下几种极化机制以下
7、几种:电子极化、离子极化、偶电子极化、离子极化、偶极极化和空间电荷极化。极极化和空间电荷极化。电介质的总极化率为上述各项之和。电介质的总极化率为上述各项之和。 电介质在外加电场作用下，或多或少都会把部分电能电介质在外加电场作用下，或多或少都会把部分电能转换为热能，转换为热能，电场作用下，单位时间内，因为发热而耗去的能量损电场作用下，单位时间内，因为发热而耗去的能量损耗叫做介电损耗。耗叫做介电损耗。3.2.1 电介质的损耗电介质的损耗 介电损耗的形式介电损耗的形式由于电场作用引起的系列效应引起的由于电场作用引起的系列效应引起的电导损耗；电导损耗；极化损耗极化损耗；电离损耗；电离损耗；结构损耗；结
8、构损耗；宏观结构不均匀损耗；宏观结构不均匀损耗； 电介质所含的微量导电载流子在电场作用电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动，克服电阻所消耗的电能。下流动，克服电阻所消耗的电能。这种损耗在这种损耗在交变电场交变电场和和恒定电场恒定电场中都会发生。中都会发生。电导损耗一般很小。电导损耗一般很小。 （1） 电导损耗电导损耗（2） 极化损耗极化损耗 由于偶极子的取向极化造成的。由于偶极子的取向极化造成的。在交变电场中极化，如果电场交变频率很低，偶极子在交变电场中极化，如果电场交变频率很低，偶极子能跟得上电场变化，能跟得上电场变化，当交变电场频率提高，偶极子与电场的变化有时间差，当交变电场频率提高
9、，偶极子与电场的变化有时间差，落后于电场的变化落后于电场的变化 介电弛豫介电弛豫( (Dynamic) ) 极性电介质在交变电场中极化时，如果电场的交极性电介质在交变电场中极化时，如果电场的交变频率很低，偶极子转向能跟得上电场的变化，介电变频率很低，偶极子转向能跟得上电场的变化，介电损耗就很小。损耗就很小。 介电弛豫介电弛豫 当交变电场频率提高，偶极子转向与电场的变化当交变电场频率提高，偶极子转向与电场的变化有时间差，落后于电场的变化。有时间差，落后于电场的变化。 交变电场频率在一定范围内，致使偶极子极化，交变电场频率在一定范围内，致使偶极子极化，但是偶极子极化步伐滞后但是偶极子极化步伐滞后-
10、介电介电弛豫弛豫，偶极子转向将克服摩擦阻力而损耗能量，使电介质偶极子转向将克服摩擦阻力而损耗能量，使电介质发热发热,有能量的消耗有能量的消耗-介电损耗介电损耗 介电损耗介电损耗 由此可见，只有当电场变化速度与微观运动单由此可见，只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时，介电损耗才较大。元的本征极化速度相当时，介电损耗才较大。 若交变电场频率进一步提高，致使偶极子取向若交变电场频率进一步提高，致使偶极子取向完全跟不上电场变化，取向极化将不发生，这时介完全跟不上电场变化，取向极化将不发生，这时介质损耗也很小。质损耗也很小。 所以，介电损耗和介电驰誉也有频率匹配现象所以，介电损耗和介电驰
11、誉也有频率匹配现象介电损耗介电损耗-频率特性频率特性空间电荷极化空间电荷极化偶极极化偶极极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 介电弛豫、损耗的频率特性介电弛豫、损耗的频率特性介电弛豫、损耗的频率特性介电弛豫、损耗的频率特性空间电荷极化空间电荷极化偶极极化偶极极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 光频范围光频范围，只有电子极化能够跟上外加电场，基本无驰豫，只有电子极化能够跟上外加电场，基本无驰豫，总极化率只包含电子的贡献总极化率只包含电子的贡献空间电荷极化空
12、间电荷极化偶极极化偶极极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 离子极化离子极化可以在可以在红外频率红外频率范围对极化有贡献。其介电常范围对极化有贡献。其介电常数在声频和射频内几乎不随频率变化，基本无驰豫数在声频和射频内几乎不随频率变化，基本无驰豫空间电荷极化空间电荷极化偶极极化偶极极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 偶极化，响应速度更慢，在偶极化，响应速度更慢，在无线电无线电变化，变化，其弛豫时间其弛豫时间:符合公式符合公式:其中其中E为需要克服的势垒高度
13、。为需要克服的势垒高度。 损耗因子损耗因子真空平行平板式电容器，两极板上真空平行平板式电容器，两极板上加交变电压加交变电压V=Voe i t，电容上电流与外电压相差电容上电流与外电压相差90o的位相。的位相。由由 Q=CoV电流：电流： Io=i CoVVi CV 如果电容器之中加上极性介质，电容器不再是理想的，输如果电容器之中加上极性介质，电容器不再是理想的，输出电流和电压的相位差不再是出电流和电压的相位差不再是90度，度，这是由于存在一个与电压相位相同的很小的电导分量这是由于存在一个与电压相位相同的很小的电导分量GV，来源于电荷的运动或者极化的滞后，来源于电荷的运动或者极化的滞后， 合成电
14、流合成电流 I= i CV+GVGV复介电常数的定义：复介电常数的定义： l*= l - i / 用用“电阻电阻”电流与电流与“电容电容”电流比表征介质的介电电流比表征介质的介电损耗：损耗： 的物理意义是在交变电压周期中，介质损耗的的物理意义是在交变电压周期中，介质损耗的能量与储存能量之比。能量与储存能量之比。越小，表示能量损耗越小越小，表示能量损耗越小理想电容器（即真空电容器）理想电容器（即真空电容器） =0，无能量损失。，无能量损失。 介电损耗正切。介电损耗正切。Vi CV 损耗因子：损耗因子： l tg （仅与介质有关，仅与介质有关，大小作为绝缘材料的判据，品质因子大小作为绝缘材料的判据
15、，品质因子）GV是Breckenridge在1954年提出的。不同价态的离子置换了基质离子时，会产生偶极子对。例如：Ca2+置换碱金属卤化物MF(Cl, Br)中阳离子M，有一个过剩的正电荷，所以它与一个带负电的带负电的M空位藕合空位藕合，即VM，或者与一个填隙卤素离子藕合Fi，形成偶极子。空位藕合空位藕合CaLi)VLiCaLi)Fi没有电场，是完全等价的，结果缺陷的平均偶极矩为没有电场，是完全等价的，结果缺陷的平均偶极矩为0。在外电场下，不再等价，有一定偶极矩，对介电常数和介在外电场下，不再等价，有一定偶极矩，对介电常数和介电损耗都有贡献。电损耗都有贡献。交变电场下，极化总是滞后驰豫交变电
16、场下，极化总是滞后驰豫MgLi)VLiMgLi)Fi介电弛豫德拜关系式的最简单形式分析介电弛豫行为的一个有力工具-Cole-Cole，描述的是介电常数的实部与虚部之间的关系电导率越大，对Cole-Cole半圆的偏离越大。在钨酸铅晶体中应用La3+:PbWO4Enhancement of luminescence by Li dopingEnhancement of luminescence by Li dopingElectrical properties and doping mechanism of Li+ in PbWO41.Doping mechanism of Li in PWODo
17、ping mechanism of Li in PWO2. Could this Li doped PWO show good conductance 2. Could this Li doped PWO show good conductance properties as good electrolytes ? properties as good electrolytes ?2 Investigation of dielectric relaxation phenomenatemperature dependence of dielectric loss of Li+- La3+-dop
18、ed PWO (f = 1 kHz).Li doping level is 2000 at. ppm The frequency dependence of dielectric loss in PWO:Li and PWO:K crystalsFrequency dependence of the polarization mechanisms in dielectrics.(a) contribution to the charging constant (representative values of)(b) contribution to the loss angle (repres
19、entative values of tan )The characteristic dielectric relaxation behavior confirms the dipole complexes:2(LaPb3+).-VPb” 2(KPb+)- VO. . (LiPb+). Li间隙位置？间隙位置？ OK unit cell of PWO ( ) denotes the possible interstitial sites.O ion planes 2(Li+)i. - VPb” Arrhenius plot of conductivity of PWO:Li crystal.3
20、 3 Electrical conductivity propertyconductivity is 4.24*10-4 S-cm-1 at 1000 oC activation energy Ea=1.39 eV. 4. Conclusion1 The impedance spectroscopic technique was applied to investigate the dielectric relaxation of PWO:Li， and proved to be a good tool for the study of defect-related phenomena in
21、PWO. 2 Compared with the dielectric and optical properties of PWO:La, K. It was suggested that Li ions occupy the interstitial sites, where the positive charges introduced Li sites are compensated by the random distributed VPb by means of long distance compensation. 3These interstitial sites are res
22、ponsible for electrical conduction and 350 nm optical absorption in PWO. The electrical conductivity of PWO:Li crystal is 5.1310-4 S cm-1 at 1000 oC with an activation energy 1.36 eV. 4At present, few lithium ion conductors were reported At present, few lithium ion conductors were reported over the
23、temperature range from 800-1000over the temperature range from 800-1000o oC C PWO:Li has merits such as chemical stability and PWO:Li has merits such as chemical stability and low cost, therefore, Li:PWO is a hopeful lithium ion low cost, therefore, Li:PWO is a hopeful lithium ion conductor at high temperatures.conductor at high temperatures. 3.1 作业作业3.1.1 电介介质的极化有哪些基本形式，的极化有哪些基本形式，频率和温率和温 度特性度特性.3.1.2 阐述介述介电常数其物理本常数其物理本质.
