電介質(zhì)物理課件(2013-1)

1、2021-12-241 The Physics of Dielectrics 電子科技大學(xué)電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院 鐘朝位鐘朝位2021-12-242 1.1.概述概述 2.2.恒定電場中電介質(zhì)的極化恒定電場中電介質(zhì)的極化 3.3.電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo) 5.5.強(qiáng)電場下電介質(zhì)的擊穿強(qiáng)電場下電介質(zhì)的擊穿2021-12-243概述概述 1. 1. 電介質(zhì)物理的發(fā)展電介質(zhì)物理的發(fā)展 2. 2. 電介質(zhì)與導(dǎo)體的區(qū)別電介質(zhì)與導(dǎo)體的區(qū)別 3. 3. 電介質(zhì)的定義電介質(zhì)的定義 4. 4. 電介質(zhì)的分類電介質(zhì)的分類 5. 5. 電介質(zhì)的應(yīng)用電介質(zhì)的應(yīng)用2021-12-244

2、1919世紀(jì)世紀(jì) 開始對電介質(zhì)電特性研究開始對電介質(zhì)電特性研究 2020世紀(jì)初世紀(jì)初 電氣設(shè)備采用天然材料電氣設(shè)備采用天然材料 2020世紀(jì)中世紀(jì)中 出現(xiàn)了合成高分子材料出現(xiàn)了合成高分子材料 現(xiàn)代現(xiàn)代 由于電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展，由于電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對介質(zhì)材料提出了更高要求，介質(zhì)材料不對介質(zhì)材料提出了更高要求，介質(zhì)材料不僅包括絕緣電介質(zhì)，而且包括各種僅包括絕緣電介質(zhì)，而且包括各種電子功電子功能材料。能材料。1. 1. 電介質(zhì)物理的發(fā)展電介質(zhì)物理的發(fā)展2021-12-245BaTiO3PZT電電容容器器介介質(zhì)質(zhì)換換能能器器器器光光開開關(guān)關(guān)2021-12-246濕敏材料濕敏材料氣敏材料氣敏材料光敏材料

3、光敏材料壓敏材料壓敏材料熱敏材料熱敏材料2021-12-247 電子設(shè)備向小型化輕量化多功能化發(fā)展電子設(shè)備向小型化輕量化多功能化發(fā)展, ,科學(xué)技術(shù)發(fā)科學(xué)技術(shù)發(fā)展，對介質(zhì)材料提出了更高要求，具體體現(xiàn)在展，對介質(zhì)材料提出了更高要求，具體體現(xiàn)在: :小型化小型化: :2021-12-248輕量化輕量化: :2021-12-249高頻化高頻化: :2021-12-2410低成本化低成本化: :內(nèi)電極端電極 端電極內(nèi)電極內(nèi)電極內(nèi)電極引出端內(nèi)電極引出端 電介質(zhì) Pd Ag - Pd Ag - Ni CuNi Cu2021-12-2411隱蔽式報(bào)警雷達(dá)飛機(jī)駕駛倉中的盒式存儲器電子對抗指揮系統(tǒng)接收機(jī)反潛艇系統(tǒng)

4、中存儲器主任務(wù)（指揮飛機(jī)和戰(zhàn)斗）存儲器任務(wù)數(shù)據(jù)記錄儀導(dǎo)彈中的存儲器外存儲器 固態(tài)飛行記錄儀抗電磁干擾化抗電磁干擾化: :2021-12-2412 目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中普通使用的目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中普通使用的半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器有兩個主要缺點(diǎn)：半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器有兩個主要缺點(diǎn)： 1.1.所存儲的信息必須在通電時才所存儲的信息必須在通電時才能保持，一旦掉電，所有信息便會消能保持，一旦掉電，所有信息便會消失；失； 2. 2.抗電磁干擾能力弱，對射線輻抗電磁干擾能力弱，對射線輻射非常敏感，這對空間和軍事應(yīng)用十射非常敏感，這對空間和軍事應(yīng)用十分不利。分不利。 2021-12-24132021-12-2414 典型

5、的鐵電存儲器能經(jīng)受大于典型的鐵電存儲器能經(jīng)受大于5 5MradcmMradcm-2-2的高能的高能X X射線和強(qiáng)度為射線和強(qiáng)度為10101111radcmradcm- -2 2SS-1-1的的X X射線輻射或者能量為射線輻射或者能量為1 1MevMev的的10101414cmcm-2-2的中子流輻射，性能極少退化。的中子流輻射，性能極少退化。 鐵電存儲器能夠承受無論總的積分輻鐵電存儲器能夠承受無論總的積分輻射劑量還是輻射劑量率都很高的射劑量還是輻射劑量率都很高的X X 射線以射線以及荷電離子的粒子流和電子束流的輻照。及荷電離子的粒子流和電子束流的輻照。 2021-12-2415 電介質(zhì)物理學(xué)科

6、是在電介質(zhì)物理學(xué)科是在2020世紀(jì)世紀(jì)2020年代至年代至3030年年代形成的。代形成的。 標(biāo)志性事件標(biāo)志性事件: :電氣及電子工程師學(xué)會電氣及電子工程師學(xué)會 ( (IEEE)IEEE)在在19201920年開始召開國際絕緣介質(zhì)會議年開始召開國際絕緣介質(zhì)會議, ,此后又建此后又建立了相應(yīng)的分會立了相應(yīng)的分會( (IEEE Dielectric and IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society)Electrical Insulation Society)。 美國建立了以美國建立了以HippelHippel教授為首的絕緣研究教授為首的絕緣研

7、究室。前蘇聯(lián)列寧格勒工學(xué)院開設(shè)了電氣絕緣與室。前蘇聯(lián)列寧格勒工學(xué)院開設(shè)了電氣絕緣與電纜技術(shù)專業(yè)電纜技術(shù)專業(yè) , ,莫斯科工學(xué)院開設(shè)了電介質(zhì)與莫斯科工學(xué)院開設(shè)了電介質(zhì)與半導(dǎo)體專業(yè)。半導(dǎo)體專業(yè)。 2021-12-2416 德國德拜（德國德拜（Debye)Debye)教授教授 在在2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代由于在電介質(zhì)極化、年代由于在電介質(zhì)極化、損耗與其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系方面的杰出研究而損耗與其分子結(jié)構(gòu)關(guān)系方面的杰出研究而獲得了諾貝爾獎獲得了諾貝爾獎 , ,奠定了電介質(zhì)物理學(xué)科奠定了電介質(zhì)物理學(xué)科的基礎(chǔ)。隨著電氣和電子工程的發(fā)展，形的基礎(chǔ)。隨著電氣和電子工程的發(fā)展，形成了研究電介質(zhì)極化、損耗、電導(dǎo)、擊穿

8、成了研究電介質(zhì)極化、損耗、電導(dǎo)、擊穿為中心內(nèi)容的電介質(zhì)物理學(xué)科。為中心內(nèi)容的電介質(zhì)物理學(xué)科。 2021-12-2417 我國電介質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展是在1952年第一個五年計(jì)劃制定。 陳季丹先生是我國電介質(zhì)物理學(xué)教學(xué)的先驅(qū)和奠基人。1955年他在上海交通大學(xué)首先開設(shè)了電介質(zhì)物理課程,隨后，西安交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、山東大學(xué)、中山大學(xué)、四川大學(xué)、南京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中科院物理所、中科院硅酸鹽所等對我國電介質(zhì)物理學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)，為我國培養(yǎng)了大量的絕緣電介質(zhì)專業(yè)人才，促進(jìn)了我國工程電介質(zhì)的發(fā)展。 中國物理學(xué)會電介質(zhì)物理專業(yè)委員會委員和中國電工技術(shù)學(xué)會工程電介質(zhì)專業(yè)委員會是本領(lǐng)域最重要的兩個學(xué)術(shù)機(jī)

9、構(gòu)。2021-12-24181 1).).物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)區(qū)別物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)區(qū)別 2.2.電介質(zhì)與導(dǎo)體的區(qū)別電介質(zhì)與導(dǎo)體的區(qū)別金屬金屬 金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體具有帶負(fù)電的自由電子和帶正電的晶體點(diǎn)陣,這是這是金屬導(dǎo)體在電結(jié)構(gòu)方面金屬導(dǎo)體在電結(jié)構(gòu)方面的重要特征的重要特征,例如銅約為例如銅約為 8 81022cm-31022cm-3導(dǎo)體導(dǎo)體: :2021-12-2419 這些大量的自由電子，在導(dǎo)體處于一種什么樣的狀態(tài)這些大量的自由電子，在導(dǎo)體處于一種什么樣的狀態(tài)呢？呢？ 當(dāng)導(dǎo)體未帶電或未受到外電場作用時當(dāng)導(dǎo)體未帶電或未受到外電場作用時: :這些自由電子在這些自由電子在金屬導(dǎo)體內(nèi)作無規(guī)則熱運(yùn)動金屬導(dǎo)體內(nèi)作無規(guī)

10、則熱運(yùn)動, ,使得其內(nèi)部的自由電子負(fù)電荷使得其內(nèi)部的自由電子負(fù)電荷與晶格離子正電荷與晶格離子正電荷, ,平均說來，在空間上是等量分布的，因平均說來，在空間上是等量分布的，因此導(dǎo)體的任何部分都呈電中性。此導(dǎo)體的任何部分都呈電中性。2021-12-2420如果將金屬導(dǎo)體放在外電場中，會出現(xiàn)什么情況呢？如果將金屬導(dǎo)體放在外電場中，會出現(xiàn)什么情況呢？外E 在外電場作用下中，金屬導(dǎo)體中的自由電子將沿外電場反在外電場作用下中，金屬導(dǎo)體中的自由電子將沿外電場反向作定向運(yùn)動，這樣自由電子是必在導(dǎo)體的一端堆積起來向作定向運(yùn)動，這樣自由電子是必在導(dǎo)體的一端堆積起來, ,使使導(dǎo)體的一端因多余電子而帶負(fù)電，而另一端因

11、缺少電子而帶正導(dǎo)體的一端因多余電子而帶負(fù)電，而另一端因缺少電子而帶正電電. .2021-12-2421介質(zhì)介質(zhì)： 構(gòu)成介質(zhì)的分子在結(jié)構(gòu)方面的特征構(gòu)成介質(zhì)的分子在結(jié)構(gòu)方面的特征是電子與原子核之間有很大的庫侖力是電子與原子核之間有很大的庫侖力, ,這這種庫侖力使電子被原子核束縛著，處于種庫侖力使電子被原子核束縛著，處于束縛狀態(tài)的電子（非有自由電子）束縛狀態(tài)的電子（非有自由電子）, ,在外在外電場的作用下電子只能相對于核作微小電場的作用下電子只能相對于核作微小的位移的位移. . 電介質(zhì)是以感應(yīng)而非傳導(dǎo)的方式來電介質(zhì)是以感應(yīng)而非傳導(dǎo)的方式來傳遞電的作用和影響傳遞電的作用和影響. .2021-12-24

12、22導(dǎo)體：內(nèi)部電場為導(dǎo)體：內(nèi)部電場為0 0，電場終于導(dǎo)體表面并與表面垂直，電場終于導(dǎo)體表面并與表面垂直2).2).電場特性方面的區(qū)別電場特性方面的區(qū)別2021-12-24232021-12-2424電介質(zhì)：內(nèi)部存在電場，有介質(zhì)的電場總是小于真空時的電場電介質(zhì)：內(nèi)部存在電場，有介質(zhì)的電場總是小于真空時的電場平板電容器中的電場平板電容器中的電場: :條條 件：極板之間距離（件：極板之間距離（d d）極板的線度（極板的線度（L L）, ,保證電場均保證電場均 勻，否則畸變。勻，否則畸變。 dLAB截面截面)(電荷面密度AE1S1S1S側(cè)面F高斯定律高斯定律: :在任何靜電場中在任何靜電場中, ,通過

13、任一閉合面的電通量等通過任一閉合面的電通量等于這個閉合面所包圍的自由電荷的代數(shù)和于這個閉合面所包圍的自由電荷的代數(shù)和. .2021-12-2425設(shè)：電荷的面密度為設(shè)：電荷的面密度為+ + ，使平板與圓柱形相交，圓柱形底面積，使平板與圓柱形相交，圓柱形底面積 為為S S1 1，側(cè)面為側(cè)面為F F，求帶電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。求帶電荷產(chǎn)生的電場強(qiáng)度。 應(yīng)用高斯定律應(yīng)用高斯定律QqDdsniis1111SDSDSArAEED0D2ArE02220rAE2BE高斯定律高斯定律: :在任何靜電場中在任何靜電場中, ,通過任一閉合面的電通量等通過任一閉合面的電通量等于這個閉合面所包圍的自由電荷的代數(shù)和于這個

14、閉合面所包圍的自由電荷的代數(shù)和. .2021-12-2426AEAEAEBEBEBE0E0EBAEEE 按場強(qiáng)的疊加原理：在任一點(diǎn)的場強(qiáng)按場強(qiáng)的疊加原理：在任一點(diǎn)的場強(qiáng)E E，是每一平板各自是每一平板各自所產(chǎn)生場強(qiáng)所產(chǎn)生場強(qiáng)E EA A和和E EB B的矢量和。的矢量和。 平板電容器中所引起的任一點(diǎn)處的電場，與它從這點(diǎn)到兩平板電容器中所引起的任一點(diǎn)處的電場，與它從這點(diǎn)到兩平板的距離無關(guān)。平板的距離無關(guān)。2021-12-2427若為真空：若為真空： 0, 1BArEEE說明：有介質(zhì)的電場總是小于真空時的電場，說明：有介質(zhì)的電場總是小于真空時的電場， 介質(zhì)極化的結(jié)果相對介電系數(shù)介質(zhì)極化的結(jié)果相對介

15、電系數(shù)11。 平板電容器介質(zhì)中的電場平板電容器介質(zhì)中的電場: : 均勻介質(zhì)均勻介質(zhì) 介質(zhì)在遠(yuǎn)離擊穿電場作用下，介質(zhì)用一個介質(zhì)在遠(yuǎn)離擊穿電場作用下，介質(zhì)用一個基本參數(shù)就能表示的（基本參數(shù)就能表示的（ , , ） 不均勻介質(zhì)不均勻介質(zhì)不能用一個參數(shù)表示（不能用一個參數(shù)表示（ 1 1， 2 2）2021-12-2428 應(yīng)用媒質(zhì)分界處的電力線的折射應(yīng)用媒質(zhì)分界處的電力線的折射定律：定律：通過第一個圓柱底面積的通過第一個圓柱底面積的位移通量位移通量D Dn1n1S S1 1，通過第二個圓柱，通過第二個圓柱底面積的位移通量底面積的位移通量D Dn2n2S S2 2， 因?yàn)榉忠驗(yàn)榉纸缑嫔蠜]有自由電荷，所以

16、總位界面上沒有自由電荷，所以總位移通量等于移通量等于0 0. .由此可得： 21nnDDED換為電場強(qiáng)度： E1r2r1nD2nD02211SDSDnn2021-12-2429說明：說明：在不均勻介質(zhì)中電場強(qiáng)度與介電系數(shù)成反比。在不均勻介質(zhì)中電場強(qiáng)度與介電系數(shù)成反比。12211221EEEErrnn或 通過界面的電位移相等，連續(xù)的通過介質(zhì)其大小、通過界面的電位移相等，連續(xù)的通過介質(zhì)其大小、方向都不變。方向都不變。2021-12-24303 3).).能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別能帶結(jié)構(gòu)上的區(qū)別（a）電介質(zhì)（b）半導(dǎo)體（c）導(dǎo)體E價(jià)帶導(dǎo)帶Eg禁帶Eg: 3.58eVEg: 0.73.5eV電介質(zhì)：能級的基態(tài)

17、被占滿，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)間的禁帶很電介質(zhì)：能級的基態(tài)被占滿，基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)間的禁帶很寬，以至電子從正常態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量，足以使電介寬，以至電子從正常態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量，足以使電介質(zhì)受到破壞。質(zhì)受到破壞。2021-12-2431 導(dǎo)體：屬于電子電導(dǎo)導(dǎo)體：屬于電子電導(dǎo)電子電子 半導(dǎo)體：滿帶中的電子在光、熱作用下激發(fā)到導(dǎo)帶上去，半導(dǎo)體：滿帶中的電子在光、熱作用下激發(fā)到導(dǎo)帶上去，出現(xiàn)了自由電子和空穴出現(xiàn)了自由電子和空穴自由電子、空穴自由電子、空穴 絕緣體（介質(zhì)）：屬離子性電導(dǎo)絕緣體（介質(zhì)）：屬離子性電導(dǎo)正、負(fù)離子。正、負(fù)離子。4 4).).載流子種類的區(qū)別載流子種類的區(qū)別2021-12-2

18、4325 5) )體積電阻率的區(qū)別體積電阻率的區(qū)別lS導(dǎo)體電阻率：導(dǎo)體電阻率： 1010-6-61010-3-3 cmcm 半導(dǎo)體半導(dǎo)體電阻率電阻率：1010-3-310108 8 cm cm 絕緣體絕緣體電阻率電阻率：10109 910102222 cmcm SlRvlSRvv2021-12-24336 6).).電阻率與溫度關(guān)系的區(qū)別電阻率與溫度關(guān)系的區(qū)別 絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體)( CT 2021-12-24343.3.電介質(zhì)的定義電介質(zhì)的定義法拉第定義法拉第定義: :能被電力線所直通或橫貫地作用著的那種物質(zhì)稱能被電力線所直通或橫貫地作用著的那種物質(zhì)稱為電介質(zhì)為電介質(zhì)國際電工委員會國際電工委員

19、會定義定義: :電介質(zhì)是一種物質(zhì)電介質(zhì)是一種物質(zhì), ,它的能級圖中基態(tài)它的能級圖中基態(tài)被占滿被占滿, ,基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間被這樣寬的禁帶隔開基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間被這樣寬的禁帶隔開, ,以致電以致電子從正常態(tài)激發(fā)到相對于導(dǎo)帶的態(tài)所必需的能量子從正常態(tài)激發(fā)到相對于導(dǎo)帶的態(tài)所必需的能量, ,大到可使電大到可使電介質(zhì)受到破壞介質(zhì)受到破壞蘇聯(lián)科學(xué)院定義蘇聯(lián)科學(xué)院定義: :電介質(zhì)是這樣一種物質(zhì)電介質(zhì)是這樣一種物質(zhì), ,在電場作用下具有在電場作用下具有極化能力極化能力, ,并在其中能長期存在電場為其主要特性的物質(zhì)并在其中能長期存在電場為其主要特性的物質(zhì)中國定義中國定義: :以在電場作用下具有極化能力以在電

20、場作用下具有極化能力, ,且能在其中長期地且能在其中長期地存在電場為其主要性能的物質(zhì)叫電介質(zhì)存在電場為其主要性能的物質(zhì)叫電介質(zhì)2021-12-2435材料 介電常數(shù)介電常數(shù) 空氣（或真空） 1.0水 80.4陶瓷金剛石 5.56.6Al2O3(多晶體) 9.0 SiO2 3.73.8 TiO2110 NaCl 5.9 BaTiO3 3000 部分材料的介電常數(shù)部分材料的介電常數(shù) 2021-12-2436材料 介電常數(shù)云母 5.48.7派熱克斯玻璃 4.06.0 滑石（2SiO2MgO） 5.57.5 鎂橄欖石（2MgOSiO2） 6.2 堇青石 （2MgOAl2O35SiO2） 4.55.4

21、聚合物酚醛樹脂（電木） 5.0硅橡膠 2.8環(huán)氧樹脂 3.5 部分材料的介電常數(shù)部分材料的介電常數(shù) 2021-12-2437材料 介電常數(shù)尼龍6,6 4.0聚碳酸酯 3.0聚苯乙烯 2.5高密度聚乙烯 2.3聚四氟乙烯 2.0 聚氯乙烯 3.2 部分材料的介電常數(shù)部分材料的介電常數(shù) 2021-12-2438 電介質(zhì)的分類可以按凝固狀態(tài)、組成特性、電荷分電介質(zhì)的分類可以按凝固狀態(tài)、組成特性、電荷分布特性以及布特性以及P-EP-E來分：來分：1 1）按凝固狀態(tài)可分：）按凝固狀態(tài)可分： 氣體電介質(zhì)：真空、充氣（氮、氬、氟里昂）氣體電介質(zhì)：真空、充氣（氮、氬、氟里昂） 液體電介質(zhì)：礦物油、蘇伏油、蓖麻

22、油液體電介質(zhì)：礦物油、蘇伏油、蓖麻油 固體電介質(zhì)：樹脂漆、塑料、云母、石英、陶瓷等固體電介質(zhì)：樹脂漆、塑料、云母、石英、陶瓷等2 2）按組成特性分：）按組成特性分： 有機(jī)電介質(zhì)有機(jī)電介質(zhì)( (礦物油礦物油, ,紙紙, ,高分子聚合物高分子聚合物) ) 無機(jī)電介質(zhì)無機(jī)電介質(zhì)( (玻璃玻璃, ,陶瓷等陶瓷等) )3 3）據(jù)電荷的分布特性）據(jù)電荷的分布特性非極性（中性）電介質(zhì)非極性（中性）電介質(zhì)：分子內(nèi)部的正負(fù)電荷重心重合，：分子內(nèi)部的正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩電偶極矩 =0=0 4.4.電介質(zhì)的分類電介質(zhì)的分類2021-12-2439如單原子分子（如單原子分子（He, Ne, Ar, Kr, Xe

23、He, Ne, Ar, Kr, Xe），），相同原子組成的雙原子（相同原子組成的雙原子（H H2 2, N, N2 2, Cl, Cl2 2）對稱結(jié)構(gòu)的多原子分子（對稱結(jié)構(gòu)的多原子分子（COCO2 2，C C6 6H H6 6( (苯苯) ) CClCCl4 4等）等）極性電介質(zhì)：極性電介質(zhì)：其分子的正負(fù)電荷中心不重合，分子具有其分子的正負(fù)電荷中心不重合，分子具有偶極矩偶極矩, ,按偶極矩的大小分：按偶極矩的大小分： 0.50.5德拜的弱極性介質(zhì)德拜的弱極性介質(zhì) 1.51.5德拜為強(qiáng)極性介質(zhì)德拜為強(qiáng)極性介質(zhì) 0.5 0.5 1.51.5德拜為中極性介質(zhì)德拜為中極性介質(zhì)離子式電介質(zhì)：離子式電介質(zhì)

24、：是由正、負(fù)離子構(gòu)成，具有較大的偶極是由正、負(fù)離子構(gòu)成，具有較大的偶極矩，由于離子之間的靜電聯(lián)系很強(qiáng)，具有很高的機(jī)械強(qiáng)矩，由于離子之間的靜電聯(lián)系很強(qiáng)，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，此時沒有個別的分子，存在于介質(zhì)的是離子了。度，此時沒有個別的分子，存在于介質(zhì)的是離子了。2021-12-24404)4)按極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的關(guān)系按極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的關(guān)系P-EP-E為線性介質(zhì)（位移極化）為線性介質(zhì)（位移極化）P-EP-E為非線性介質(zhì)為非線性介質(zhì)自發(fā)極化的高介鐵電等自發(fā)極化的高介鐵電等線性介質(zhì)非線性介質(zhì)2021-12-24415)5)按形態(tài)來分按形態(tài)來分 塊狀，塊狀， 膜狀，膜狀， 一維一維 零維零維 202

25、1-12-2442 電介質(zhì)早期的應(yīng)用僅作為分隔電流的絕緣材料，隨著科電介質(zhì)早期的應(yīng)用僅作為分隔電流的絕緣材料，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電介質(zhì)已遠(yuǎn)不足僅作為絕緣材料來應(yīng)用了。學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電介質(zhì)已遠(yuǎn)不足僅作為絕緣材料來應(yīng)用了。 “上天下地離不開由介質(zhì)上天下地離不開由介質(zhì)”，除絕緣外，除絕緣外 儲能元件儲能元件 極化特性極化特性 電容器介質(zhì)電容器介質(zhì) 換能元件換能元件 壓電特性壓電特性 壓電點(diǎn)火壓電點(diǎn)火 傳感元件傳感元件 熱電、熱釋電特性熱電、熱釋電特性 夜視儀等夜視儀等 光倍頻元件光倍頻元件 非線性光學(xué)特性非線性光學(xué)特性 激光調(diào)制上激光調(diào)制上 其折射率可以通過外加電場而靈敏場改變其折射率可以通過外加

26、電場而靈敏場改變 人體生命人體生命 駐極體駐極體用于外科接骨手術(shù)，它可以幫助折用于外科接骨手術(shù)，它可以幫助折骨的愈合和生長，電介質(zhì)的研究，存在促進(jìn)生命科學(xué)的發(fā)展，骨的愈合和生長，電介質(zhì)的研究，存在促進(jìn)生命科學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)樹木、骨骼、筋、等都有壓電效應(yīng)，據(jù)說人體的尾人們發(fā)現(xiàn)樹木、骨骼、筋、等都有壓電效應(yīng)，據(jù)說人體的尾椎骨形成一對偶極子。椎骨形成一對偶極子。5.5.電介質(zhì)的應(yīng)用電介質(zhì)的應(yīng)用2021-12-2443電介質(zhì)物理學(xué)電介質(zhì)物理學(xué) 殷之文殷之文 科學(xué)出版社出版科學(xué)出版社出版電介質(zhì)理論電介質(zhì)理論 李景德等李景德等 科學(xué)出版社出版科學(xué)出版社出版電介質(zhì)物理基礎(chǔ)電介質(zhì)物理基礎(chǔ) 孫目珍孫目珍 華南

27、理工大學(xué)出版社華南理工大學(xué)出版社電介質(zhì)物理電介質(zhì)物理 姚喜姚喜 西安交通大學(xué)出版社西安交通大學(xué)出版社電介質(zhì)理論基礎(chǔ)電介質(zhì)理論基礎(chǔ) 孟中巖孟中巖 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社電介質(zhì)物理學(xué)電介質(zhì)物理學(xué) 陳季丹陳季丹 機(jī)械工業(yè)出版機(jī)械工業(yè)出版電介質(zhì)物理學(xué)電介質(zhì)物理學(xué) 金維芳金維芳 機(jī)械工業(yè)出版機(jī)械工業(yè)出版參考資料參考資料: :2021-12-2444第一章第一章 恒定電場中電介質(zhì)的極化恒定電場中電介質(zhì)的極化1.1 1.1 介電系數(shù)與介質(zhì)極化介電系數(shù)與介質(zhì)極化一、介電系數(shù)一、介電系數(shù) 在靜電學(xué)中引入電介質(zhì)介電系數(shù)的物理概念是從庫侖定律在靜電學(xué)中引入電介質(zhì)介電系數(shù)的物理概念是從庫侖定律開始的。開始的。1

28、 1庫侖定律定義為：兩個固定距離的點(diǎn)電荷在真空中和在庫侖定律定義為：兩個固定距離的點(diǎn)電荷在真空中和在介質(zhì)中相互作用力的比值。介質(zhì)中相互作用力的比值。 202104/rqqfr1q2q在真空中：在真空中：2021-12-2445f f0 0 / f/ f 由于由于 1 1, , f0f0f f， 表示介質(zhì)對點(diǎn)電荷之間作用力的影響程度。表示介質(zhì)對點(diǎn)電荷之間作用力的影響程度。20214/rqqf1r2在介質(zhì)中：在介質(zhì)中：2021-12-24462 2也可用電容量變化來定義介電系數(shù)也可用電容量變化來定義介電系數(shù) 真空SddSC00SddSC0有：有：C/CC/C0 0 表示有介質(zhì)時的電容量比真空時的電

29、容量增大表示有介質(zhì)時的電容量比真空時的電容量增大的倍數(shù)的倍數(shù)。2021-12-24473.3.實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)條件：1.1.兩極板間尺寸不變；兩極板間尺寸不變； 2. 2.保持保持Q Q不變（恒流源）不變（恒流源）真空d0V0d1V1實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 0 0 1 1 f f0 0f f1 1 由于：由于： f fQE QE 有：有： E E0 0E E1 1 而：而：V VEd Ed 則：則： V V0 0V V1.1.2021-12-2448)/,/,/(/0011011010CQVCQVVQCCCEEVV引入引入 來表示來表示V V變化的程度變化的程度, ,為了說明介質(zhì)的影響為了說明介質(zhì)

30、的影響 。 V V1 1為什么會變小為什么會變小? ?2021-12-2449二、介質(zhì)的極化二、介質(zhì)的極化以平板電容器為例以平板電容器為例： dEd0SVVSVQC/0002021-12-2450d0SVE形成偶極矩VSC/)(002021-12-24512021-12-2452極化宏觀定義：極化宏觀定義：置于電場中的電介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向置于電場中的電介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向產(chǎn)生偶極矩，在介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極產(chǎn)生偶極矩，在介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化化.000000/1/)(/VSVSCC由高斯定理，求得兩極板間為真空時的電場：由高斯定理，求得兩極板

31、間為真空時的電場：則有：則有：則有：則有：EE00/ )(E) 1(0 為大于為大于1 1的純數(shù)，大小與的純數(shù)，大小與關(guān)系密切。關(guān)系密切。00E2021-12-2453對幾種介質(zhì)的情況如下：對幾種介質(zhì)的情況如下：（1 1）非極性介質(zhì)的極化）非極性介質(zhì)的極化 a. E=0a. E=0時：分子正負(fù)電荷中心重合時：分子正負(fù)電荷中心重合, ,分子偶極矩等于零。分子偶極矩等于零。b. Eb. E 0 0時：時：由于分子內(nèi)的正負(fù)電荷彼此強(qiáng)烈地束縛著，由于分子內(nèi)的正負(fù)電荷彼此強(qiáng)烈地束縛著，圍繞原子核的電子云相對原子核發(fā)生彈性位移而圍繞原子核的電子云相對原子核發(fā)生彈性位移而形成偶極形成偶極矩，由于該偶極矩是在

32、外電場作用下感應(yīng)產(chǎn)生的，隨著外矩，由于該偶極矩是在外電場作用下感應(yīng)產(chǎn)生的，隨著外電場的移去而消失，故稱為感應(yīng)偶極矩。電場的移去而消失，故稱為感應(yīng)偶極矩。方向：從負(fù)方向：從負(fù)正正2021-12-2454非極性介質(zhì)非極性介質(zhì)2021-12-2455非極性電介質(zhì)的極化非極性電介質(zhì)的極化 于是，在電介質(zhì)內(nèi)部形成沿于是，在電介質(zhì)內(nèi)部形成沿電場方向電場方向的感應(yīng)偶極矩，極化的感應(yīng)偶極矩，極化了的了的介質(zhì)可以看作是大量電偶極子的集合，介質(zhì)可以看作是大量電偶極子的集合，在電介質(zhì)表面上，在電介質(zhì)表面上，出現(xiàn)出現(xiàn)極化電荷極化電荷。與極板上的自由電荷相比，極化電荷不能自由。與極板上的自由電荷相比，極化電荷不能自由移

33、動，故又稱為移動，故又稱為束縛電荷束縛電荷，且極性相反。，且極性相反。極化電荷極化電荷極化電荷極化電荷0E2021-12-2456 (2)極性電介質(zhì)的極化極性電介質(zhì)的極化a) a) 無外電場無外電場b) b) 電場作用下電場作用下0EFF有外場時電偶極子在外場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，使電偶極矩方向趨有外場時電偶極子在外場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，使電偶極矩方向趨近于與外場一致所致。近于與外場一致所致。由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)向只由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)向只能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在沒有外電場時，有極分子正負(fù)電荷中心不重合，分子存在固在沒有外電場時，有極分子正負(fù)電荷中心不重

34、合，分子存在固有電偶極矩。但介質(zhì)中的電偶極子排列雜亂有電偶極矩。但介質(zhì)中的電偶極子排列雜亂, ,宏觀不顯極性。宏觀不顯極性。+外外E2021-12-2457極性介質(zhì)極性介質(zhì)由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)向只能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)向只能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。2021-12-2458E=0 E=0 E E 0 0，正、負(fù)離子之間發(fā)生了相對位移，相當(dāng)于偶極正、負(fù)離子之間發(fā)生了相對位移，相當(dāng)于偶極子型，則偶極矩：子型，則偶極矩： lElq（3 3）離子型介質(zhì)的極化）離子型介質(zhì)的極化 2021-12-2459 在非均勻介質(zhì)中，雜質(zhì)容易離解，或多或少存在自由在非均勻介質(zhì)

35、中，雜質(zhì)容易離解，或多或少存在自由離子，因而形成空間電荷極化，離子，因而形成空間電荷極化，抵消區(qū)連續(xù)介質(zhì)（4 4）非均勻介質(zhì)極化）非均勻介質(zhì)極化2021-12-2460極化的微觀定義：極化的微觀定義： 在外電場作用下在外電場作用下 ，正電荷沿，正電荷沿電場方向移動，負(fù)電荷反電場運(yùn)電場方向移動，負(fù)電荷反電場運(yùn)動，但是它們并不能離開電介質(zhì)動，但是它們并不能離開電介質(zhì)形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移出現(xiàn)偶極矩的現(xiàn)象。相對位移出現(xiàn)偶極矩的現(xiàn)象。2021-12-24612021-12-24622021-12-24633.3.柱形電容器柱形電容器柱形柱形1R2REr設(shè)單位長

36、度帶電量為設(shè)單位長度帶電量為21RrR 在兩極板之間在兩極板之間rrE2021RRrdEU120ln2RR2102RRdrr2021-12-2464120ln2RRU120ln2RRUC電容器電容的計(jì)算電容器電容的計(jì)算設(shè)設(shè)qEABUUqC 2021-12-24651.2 1.2 介質(zhì)極化的宏觀與微觀之間的關(guān)系介質(zhì)極化的宏觀與微觀之間的關(guān)系介質(zhì)極化的結(jié)果：介質(zhì)極化的結(jié)果： 在電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向出現(xiàn)偶極矩，在電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向出現(xiàn)偶極矩， 在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷。在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷。 微觀：分子偶極矩微觀：分子偶極矩 宏觀：束縛電荷宏觀：束縛電荷介質(zhì)極化與電場關(guān)系介質(zhì)極化與電場關(guān)系：極

37、化是隨電場而變的，電場越強(qiáng)，：極化是隨電場而變的，電場越強(qiáng)， 沿電場方向的取向的偶極矩愈多，沿電場方向的取向的偶極矩愈多， 或者說電極化的程度愈強(qiáng)?；蛘哒f電極化的程度愈強(qiáng)。2021-12-2466極化強(qiáng)度定義：單位體積內(nèi)感應(yīng)偶極矩的矢量和，極化強(qiáng)度定義：單位體積內(nèi)感應(yīng)偶極矩的矢量和， 式中式中NN單位體積中的分子數(shù)。單位體積中的分子數(shù)。極化強(qiáng)度與表面束縛電荷關(guān)系：極化強(qiáng)度與表面束縛電荷關(guān)系： P Pn n極化強(qiáng)度在極化強(qiáng)度在 S S面法線方向的分量。面法線方向的分量。iNiiVNV10limPnPPcos單位：單位：庫侖庫侖/米米2電介質(zhì)表面極化電介質(zhì)表面極化電荷的面密度電荷的面密度2021-

38、12-2467極化強(qiáng)度與表面束縛電荷的關(guān)系極化強(qiáng)度與表面束縛電荷的關(guān)系 在在 V V體積范圍內(nèi)，體積范圍內(nèi)，E E可以認(rèn)為是一恒量。設(shè)兩底面上可以認(rèn)為是一恒量。設(shè)兩底面上出現(xiàn)的束縛電荷面密度分別為出現(xiàn)的束縛電荷面密度分別為+ +和和，則，則圓柱體的偶圓柱體的偶極矩極矩等于一個底面積上的電荷等于一個底面積上的電荷S S與負(fù)電荷度面到正電與負(fù)電荷度面到正電荷底面的距離矢量荷底面的距離矢量L L的乘積。而的乘積。而從極化強(qiáng)度的定義來看，從極化強(qiáng)度的定義來看，圓柱體的偶極矩等于極化強(qiáng)度圓柱體的偶極矩等于極化強(qiáng)度P P與圓柱體體積與圓柱體體積 V V的乘積的乘積。兩者表示同一客體，應(yīng)當(dāng)相等，即兩者表示同

39、一客體，應(yīng)當(dāng)相等，即 2021-12-2468LPSVcosSLV 由于由于nPPcosPnPn極化強(qiáng)度在極化強(qiáng)度在 S S面法線方向的分量面法線方向的分量2021-12-2469介質(zhì)宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)關(guān)系：介質(zhì)宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)關(guān)系： NPiE克勞修斯方程克勞修斯方程EEN1ENE)1(Pi0i0或：2021-12-2470 要提高電介質(zhì)的介電系數(shù)采用三個途徑：要提高電介質(zhì)的介電系數(shù)采用三個途徑： N N 增加分子數(shù)增加分子數(shù) 選擇極化率大的選擇極化率大的 E Ei i 增大內(nèi)電場增大內(nèi)電場例如：選金紅石，例如：選金紅石，TiOTiO2 2： 大，大，E Ei i大大 CaTiOCaTiO3

40、 3： 大，大，E Ei i大大所以所以 =100-200=100-200 因?yàn)橐驗(yàn)?TiTi4+4+, O, O2-2-具有高的極化率具有高的極化率 , ,和大的內(nèi)電場和大的內(nèi)電場E Ei i大。大。2021-12-24711.3 1.3 有效內(nèi)電場（有效內(nèi)電場（E Ei i） 從克勞休斯方程從克勞休斯方程 要由電介質(zhì)的微觀參數(shù)（要由電介質(zhì)的微觀參數(shù)（N N、 ）求得宏觀參數(shù)求得宏觀參數(shù)介電常數(shù)介電常數(shù) ，必須先求得電介質(zhì)的有效電場必須先求得電介質(zhì)的有效電場E Ei i。EENENEPii/) 1(0002021-12-2472 電介質(zhì)中的有效電場電介質(zhì)中的有效電場E Ei,i,，是指實(shí)際作

41、用是指實(shí)際作用在分子上的電場在分子上的電場, ,即極板上的自由電荷以及即極板上的自由電荷以及除某極化分子以外其它極化分子形成的偶極除某極化分子以外其它極化分子形成的偶極矩共同在該分子產(chǎn)生的場強(qiáng)。矩共同在該分子產(chǎn)生的場強(qiáng)。 2021-12-2473r+-E2E1AE洛侖茲（洛侖茲（LorentzLorentz）有效電場計(jì)算模型有效電場計(jì)算模型2021-12-247421EEE Ei式中：式中：EE外加宏觀電場強(qiáng)度外加宏觀電場強(qiáng)度E E1 1球外連續(xù)介質(zhì)在球心球外連續(xù)介質(zhì)在球心O O點(diǎn)產(chǎn)生的電場場強(qiáng)；點(diǎn)產(chǎn)生的電場場強(qiáng)；E E2 2球內(nèi)除考察分子外，其他所有極化分子作球內(nèi)除考察分子外，其他所有極化分

42、子作用產(chǎn)生的電場場強(qiáng)。用產(chǎn)生的電場場強(qiáng)。 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度E E1 1，球腔表面上束縛電荷球腔表面上束縛電荷在在O O點(diǎn)產(chǎn)生的電場點(diǎn)產(chǎn)生的電場2021-12-24752021-12-2476球腔表面束縛電荷作用的電場球腔表面束縛電荷作用的電場E E1 1計(jì)算計(jì)算 EEEPPdrrPdSrPEdSrPrdSrdqdEPE31134sin2cos4cos4cos4 cos4coscos ?100020222021202202011）（）（由極化的宏觀表達(dá)式：2021-12-2477內(nèi)球極化分子作用的電場內(nèi)球極化分子作用的電場E E2 2的計(jì)算的計(jì)算 由于球內(nèi)其他極化分子是緊靠著被由于球內(nèi)其他極化分

43、子是緊靠著被研究的分子，因此不能把球內(nèi)介質(zhì)看作研究的分子，因此不能把球內(nèi)介質(zhì)看作是連續(xù)的而用宏觀的方法處理，只能根是連續(xù)的而用宏觀的方法處理，只能根據(jù)介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)而定。據(jù)介質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)而定。2021-12-2478E3) 1(EEiE3)2(Ei2021-12-24795220z30202102010rrz34zEr4zqdr/zsincosr4cosdqr1r14qr4qr4q221cos11iirdrr具有立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的離子晶體，具有立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的離子晶體，E E2 20 02021-12-24801.3 1.3 克勞修斯克勞修斯- -莫索締方程莫索締方程一、方程的推導(dǎo)一、方程的推導(dǎo)則

44、有 ：則 有 ：E) 1(pENp0i微觀極化微觀極化宏觀極化宏觀極化EEN1ENE) 1(pii0或：宏觀微觀聯(lián)系式宏觀微觀聯(lián)系式2021-12-2481EPEEi32300321N（克（克- -莫方程）莫方程） 000000031131333131321NNNNNNN2021-12-2482二、克二、克- -莫方程的應(yīng)用莫方程的應(yīng)用 1 1光頻范圍作用下的介質(zhì)光頻范圍作用下的介質(zhì) 根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，光是頻率極高的電根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，光是頻率極高的電磁波，物質(zhì)對光的折射率磁波，物質(zhì)對光的折射率式中，式中， 、 分別為電介質(zhì)的磁導(dǎo)系數(shù)、介電常數(shù)分別為電介質(zhì)的磁導(dǎo)系數(shù)、介電常數(shù)除

45、鐵磁物質(zhì)外，一般電介質(zhì)的除鐵磁物質(zhì)外，一般電介質(zhì)的 =1=1，因此，因此 式中式中 電介質(zhì)的光頻相對介電常數(shù)。電介質(zhì)的光頻相對介電常數(shù)。n2n2021-12-2483022321eNnn2 2氣體介質(zhì)氣體介質(zhì) 氣體是各向同性的介質(zhì)，在壓力不太大的條件下，氣體是各向同性的介質(zhì)，在壓力不太大的條件下，分子之間的距離很大，相互作用很小，在一般溫度下，分子之間的距離很大，相互作用很小，在一般溫度下，分子作布朗運(yùn)動，使分子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的幾率相等。分子作布朗運(yùn)動，使分子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的幾率相等。因此可以認(rèn)為莫索締內(nèi)電場適合于氣體介質(zhì)。因此可以認(rèn)為莫索締內(nèi)電場適合于氣體介質(zhì)。M2n1n3N3N2n1n3N

46、21220e00e220e2021-12-2484(1)(1)非極性氣體：非極性氣體： eN011 德露德方程德露德方程（2 2）極性氣體介質(zhì)）極性氣體介質(zhì) KTeN33121200朗芝萬朗芝萬- -德拜方程德拜方程 下頁舉例說明其應(yīng)用下頁舉例說明其應(yīng)用2021-12-248500025. 113132110687. 27602741011156. 1104400032524010030eeeeNNNmNmmHgPKTkkNTPmFR）（時，有：，當(dāng)為玻爾茲曼常數(shù)）（）（非極性氣體介質(zhì)：非極性氣體介質(zhì)：2021-12-2486kTN332121200在光頻下麥克斯韋關(guān)系式成立，可寫成在光頻下麥

47、克斯韋關(guān)系式成立，可寫成 kTNnn33212120022如極性氣體的介電系數(shù)接近等于如極性氣體的介電系數(shù)接近等于1 1，則有，則有 kTNe312002021-12-24873 3非極性和弱極性液體介質(zhì)非極性和弱極性液體介質(zhì) 弱極性液體電介質(zhì)弱極性液體電介質(zhì)指分子固有偶極矩在小于指分子固有偶極矩在小于0.50.5德拜（德拜（1 1D=3.33D=3.33 1010-30-30庫庫米）的極性液體電介質(zhì)。米）的極性液體電介質(zhì)。 對于弱極性和非極性液體電介質(zhì)起主要作用的是電對于弱極性和非極性液體電介質(zhì)起主要作用的是電子極化。作用在每個分子上的內(nèi)電場，由于液體具有流子極化。作用在每個分子上的內(nèi)電場，

48、由于液體具有流動性，分子出現(xiàn)在空間中每一點(diǎn)的幾率是相等的，故可動性，分子出現(xiàn)在空間中每一點(diǎn)的幾率是相等的，故可以認(rèn)為是莫索締內(nèi)電場，因此克以認(rèn)為是莫索締內(nèi)電場，因此克- -莫方程對這類介質(zhì)仍然莫方程對這類介質(zhì)仍然適用適用eN03212021-12-2488 這類介質(zhì)主要指只有電子極化的非極性固體介質(zhì)，包括這類介質(zhì)主要指只有電子極化的非極性固體介質(zhì)，包括: :原子晶體（金剛石），原子晶體（金剛石），不含極性基團(tuán)的分子晶體（如晶體萘、硫等）、不含極性基團(tuán)的分子晶體（如晶體萘、硫等）、非極性高分子聚合物（如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等）非極性高分子聚合物（如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等） 非極性

49、固體介質(zhì)的介電系數(shù)與極化率的關(guān)系均符合克非極性固體介質(zhì)的介電系數(shù)與極化率的關(guān)系均符合克- -莫方莫方程：程：E2=0E2=0，eN0321 1.9- 5.7 1.9- 5.7 范圍范圍4 4非極性固體介質(zhì)非極性固體介質(zhì) 聚四氟乙烯聚四氟乙烯2021-12-24895 5高對稱性的離了晶體高對稱性的離了晶體 因?yàn)閷ΨQ分布因?yàn)閷ΨQ分布 =0=0，具有電子位移極化具有電子位移極化 e e和離子位移和離子位移極化極化 a a，則則 )(31210aeeNaeeNN0033aN0321aNnn0223212021-12-249003N212021-12-2491幾種介質(zhì)用克幾種介質(zhì)用克- -莫方程計(jì)算出

50、的莫方程計(jì)算出的K K值的值的n n2 2實(shí)驗(yàn)值：實(shí)驗(yàn)值： 非極性氣體非極性氣體極性蒸極性蒸氣氣極性極性氣體氣體非極性非極性液體液體非極性非極性固體固體 氦氦氫氫氧氧甲甲烷烷水水乙乙醚醚氨氨 CCCCl l4 4苯苯聚聚苯苯烯烯聚四聚四氟乙氟乙烯烯K K計(jì)1.0000741.000271.000551.000751.00141.00541.0076 2.232.272.252.292K K實(shí)實(shí) 1.0011.0045 n n2 21.000071.000281.000541.00088 1.0088 2.132.252.41.882021-12-2492三、介電系數(shù)的溫度、頻率三、介電系數(shù)的溫

51、度、頻率、氣壓特性氣壓特性 eN03121dTde1dTdNdTde0321dTdNdTddTddTde0223)2(3)2()1()2(1 1非極性介質(zhì)介電系數(shù)與溫度的關(guān)系非極性介質(zhì)介電系數(shù)與溫度的關(guān)系非極性介質(zhì)只存在電子位移極化，利用洛倫茲非極性介質(zhì)只存在電子位移極化，利用洛倫茲- -洛侖茨方程洛侖茨方程2021-12-2493dTdNdTdee029)2(1令令 體積膨脹數(shù)體積膨脹數(shù)1vdNN dTNdTNdNee20)2(9eN031212021-12-2494lVe) 2)(1() 2)(1(31體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù) 3 3倍線脹系數(shù)倍線脹系數(shù)le) 2)(1(2 2非極性介質(zhì)介

52、電系數(shù)頻率特性非極性介質(zhì)介電系數(shù)頻率特性 只存在快極化，極化時間很快，只存在快極化，極化時間很快，1010-14-141010-15-15秒，秒， 與與f f無關(guān)無關(guān)。 2021-12-24953非極性介質(zhì)介電系數(shù)與氣壓關(guān)系非極性介質(zhì)介電系數(shù)與氣壓關(guān)系請同學(xué)現(xiàn)在考慮一下請同學(xué)現(xiàn)在考慮一下?2021-12-2496總結(jié)總結(jié)電容器儲能實(shí)驗(yàn)電容器儲能實(shí)驗(yàn)電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化極化宏觀定義極化宏觀定義極化微觀定義極化微觀定義不同電介質(zhì)的極化不同電介質(zhì)的極化介質(zhì)極化的宏觀與微觀之間的關(guān)系介質(zhì)極化的宏觀與微觀之間的關(guān)系克勞修斯方程克勞修斯方程有效電場的計(jì)算有效電場的計(jì)算克勞修斯克勞修斯- -莫索締方程莫索締

53、方程克勞修斯克勞修斯- -莫索締方程的應(yīng)用莫索締方程的應(yīng)用2021-12-24971 1昂扎杰假設(shè)（昂扎杰假設(shè)（19361936年）年）（1 1）把）把1 1個極性分子是一個空心球，球半徑為個極性分子是一個空心球，球半徑為a a 空心球中心看成一個點(diǎn)偶極子，偶極矩為空心球中心看成一個點(diǎn)偶極子，偶極矩為式中，式中， 0 0極性分子的固有偶極矩，極性分子的固有偶極矩， e eEiEi感應(yīng)偶極矩，感應(yīng)偶極矩，并設(shè)球處于連續(xù)的液體介質(zhì)中。并設(shè)球處于連續(xù)的液體介質(zhì)中。（2 2）無外電場時，點(diǎn)偶極子位于空球中心，點(diǎn)偶極子）無外電場時，點(diǎn)偶極子位于空球中心，點(diǎn)偶極子 將使周將使周圍的電介質(zhì)極化產(chǎn)生束縛電荷，

54、這些束縛電荷在空球內(nèi)建立一圍的電介質(zhì)極化產(chǎn)生束縛電荷，這些束縛電荷在空球內(nèi)建立一個電場個電場R R，R R又反過來作用于點(diǎn)偶極子。因此又反過來作用于點(diǎn)偶極子。因此R R 稱為反作用電場。稱為反作用電場。R R與偶極矩同相，因此使點(diǎn)偶極子拉長產(chǎn)生極化。與偶極矩同相，因此使點(diǎn)偶極子拉長產(chǎn)生極化。（3 3）空球電場的作用：把點(diǎn)偶極子從液體中拿走，只留下空球。）空球電場的作用：把點(diǎn)偶極子從液體中拿走，只留下空球。若外加電場為若外加電場為E E，則在空球內(nèi)引起的電場則在空球內(nèi)引起的電場G G稱為空球電場。稱為空球電場。ieE0 Ea1.4 1.4 昂扎杰有效電場昂扎杰有效電場2021-12-2498Ea

55、2021-12-24992021-12-241002.2.當(dāng)外加電場為當(dāng)外加電場為E E，點(diǎn)偶極子位于空球中心時，作用于極性點(diǎn)偶極子位于空球中心時，作用于極性分子或點(diǎn)偶極子上的內(nèi)電場是到此為止面兩個分量之和：分子或點(diǎn)偶極子上的內(nèi)電場是到此為止面兩個分量之和：RGEi(1)(1)求反作用電場求反作用電場R R 把拉普拉斯方程把拉普拉斯方程 的解，偶極矩為的解，偶極矩為 的偶極子的偶極子的電位的電位 ，其中，其中 和和r r是極坐標(biāo)，同時計(jì)及邊界條件。是極坐標(biāo)，同時計(jì)及邊界條件。02204cosr1）寫出電位方程： 空球內(nèi)：（空球內(nèi)：（r r a a）電位方程：電位偶極子電位反作用場電位方程：電位

56、偶極子電位反作用場產(chǎn)生的電位產(chǎn)生的電位2021-12-24101)cos(4cos201Rrr球外（球外（r r a a）相當(dāng)于一個大偶極矩子的作用。相當(dāng)于一個大偶極矩子的作用。電位電位 2 2束縛電荷產(chǎn)生的偶極矩極性分子偶極矩產(chǎn)生的電位束縛電荷產(chǎn)生的偶極矩極性分子偶極矩產(chǎn)生的電位A A 極性分子電矩束縛產(chǎn)生，極性分子電矩束縛產(chǎn)生，AA常數(shù)常數(shù)2 2）求常數(shù)）求常數(shù)A A 在球界面上任何一點(diǎn)電位相等在球界面上任何一點(diǎn)電位相等, ,在界面上電位移是連續(xù)的在界面上電位移是連續(xù)的 2024cosrA2021-12-241023 3求空球電場求空球電場G G球內(nèi)球內(nèi)( (r r a)a) cos1Gr

57、球外球外( (r r a)a)是兩部分影響之和，是兩部分影響之和，一部分為空球表面束縛電荷的影響，其值相當(dāng)于一個電矩為一部分為空球表面束縛電荷的影響，其值相當(dāng)于一個電矩為M M的點(diǎn)偶極子的作用，的點(diǎn)偶極子的作用，一部分是外電場的影響一部分是外電場的影響。 cos4cos202ErrM1214230aR利用邊界條件利用邊界條件: :在球界面上任何一點(diǎn)在球界面上任何一點(diǎn)電位相等電位相等, ,在界面上電位移是連續(xù)的在界面上電位移是連續(xù)的. .2021-12-24103EEEaEaEaMG1231121412)1(41430303012) 1(4212330auEEi2021-12-2410412)

58、1(4212330auEEi12) 1( 231230NEEi2021-12-2410512) 1(231230NEEiE3)2(Ei昂扎杰昂扎杰(Onsager)有效電場有效電場洛侖茲（洛侖茲（Lorentz）有效電場有效電場有有什什么么關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)嗎嗎 ?作業(yè)題作業(yè)題5:5:證明昂扎杰（翁薩格）有效電場也適用于非極性介質(zhì)。即昂扎杰證明昂扎杰（翁薩格）有效電場也適用于非極性介質(zhì)。即昂扎杰（翁薩格）有效電場概括了洛侖茲有效電場。（翁薩格）有效電場概括了洛侖茲有效電場。 2021-12-24106三、昂扎杰方程三、昂扎杰方程 極性液體分子在這樣的有效電場中，它的總偶極矩極性液體分子在這樣的有效電場中

59、，它的總偶極矩)(00RGEeie2142230nnaeEE11302202242) 1()2 ( 3) 12)(2(annnn2021-12-24107 現(xiàn)討論弱電場時，極性液體的介電常數(shù)現(xiàn)討論弱電場時，極性液體的介電常數(shù) 的計(jì)算方法的計(jì)算方法: : 極性分子的總電矩在外電場極性分子的總電矩在外電場E E方向的平均電矩方向的平均電矩EkTNENnnNP12332)2(2122利用關(guān)系利用關(guān)系 EEEDP000) 12)() 1(3)2)(1(222nnn E112021-12-24108kTNnnn331)2()2)(20022222222020) 2()2)(9nnnNkT) 2)(2()

60、( 321212222nnnn翁薩格方程：翁薩格方程：考慮到考慮到2021-12-24109)2)(2()2(321212220022nnkTNnn翁薩格方程又可寫成翁薩格方程又可寫成: :當(dāng)當(dāng)n n2 2 1 1時：時： 當(dāng)當(dāng)n n2 211時），這在物理概念上是合理的。時），這在物理概念上是合理的。2 2利用翁薩格方程計(jì)算出的介電常數(shù)，不論極化率為怎樣的有利用翁薩格方程計(jì)算出的介電常數(shù)，不論極化率為怎樣的有限值，都不會出現(xiàn)負(fù)值或無限大的不合理的結(jié)果。限值，都不會出現(xiàn)負(fù)值或無限大的不合理的結(jié)果。3 3由翁薩格方程計(jì)算出的某些極性液體的介電常數(shù)與實(shí)測值比由翁薩格方程計(jì)算出的某些極性液體的介電常