材料電學(xué)性能

1、關(guān)于材料的電學(xué)性能第一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.1 電阻率和電導(dǎo)率 歐姆定律： V= RI電阻R和導(dǎo)體材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與長度L及截面積有關(guān)即： 電阻率只與材料性質(zhì)有關(guān)，與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，單位.m電導(dǎo)率： = 1/根據(jù)電導(dǎo)率可把材料分為：導(dǎo)體：1010.m第二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論1：經(jīng)典自由電子理論假設(shè)：在金屬晶體中，正離子構(gòu)成晶體點陣，價電子是完全自由的，稱為自由電子，彌散分布在整個點陣中自由電子之間及它們和正離子之間的相互作用類似機(jī)械碰撞在沒有外加電場時，自由電子沿各個方向運(yùn)動的幾率相

2、同，不產(chǎn)生電流有外加電場時，自由電子沿電場方向定向運(yùn)動，形成電流自由電子定向運(yùn)動時，要和正離子碰撞，電子運(yùn)動受阻，產(chǎn)生電阻第三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論電導(dǎo)率： l ： 平均自由程 ： 電子運(yùn)動的平均速度 n ： 單位體積的自由電子數(shù) m ： 自由電子質(zhì)量 e ： 自由電子電荷 ： 電子兩次碰撞之間的平均時間第四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論2：量子自由電子理論假設(shè)：正離子形成的電場是均勻的；價電子與離子間沒有相互作用,可在整個金屬中自由運(yùn)動原子的內(nèi)層電子保持著單個原子的能量狀態(tài)；所有價電子

3、按量子化規(guī)律具有不同的能量狀態(tài)；即具有不同的能級電子具有波粒二象性，運(yùn)動著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長與電子的運(yùn)動速度或動量之間的關(guān)系為： 或第五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論在一價金屬中，自由電子的動能 代入其中： 波數(shù)頻率表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù) 常數(shù) 第六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論EK關(guān)系曲線為拋物線，“+”和“”表示電子運(yùn)動的方向從粒子的觀點，EK曲線表示自由電子的能量與速度（或動量）的關(guān)系從波動的觀點，EK曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系，波數(shù)越大，能量越高0

4、K時電子所具有的最高能態(tài)稱為費(fèi)米能（EF），同種金屬費(fèi)米能是一定值，不同金屬費(fèi)米能不同 自由電子的E-K曲線第七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論在外加電場的作用下 外加電場使向著其正向運(yùn)動的電子能量降低，反向運(yùn)動的電子能量升高部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向電場正向運(yùn)動的能級，從而使正反向運(yùn)動的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電 電場對E-K曲線的影響第八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論從上分析可知：不是所有的自由電子都參與導(dǎo)電，而是只有處于較高能態(tài)的自由電子參與導(dǎo)電電磁波在傳播過程中被離子點陣散射，相互干涉形成電阻對于

5、絕對純的理想晶體，0K時，電子波的傳播不受阻礙，形成無阻傳播，電阻為零（超導(dǎo)現(xiàn)象）實際金屬：缺陷、雜質(zhì)產(chǎn)生的靜態(tài)點陣畸變和熱振動引起動態(tài)點陣畸變，對電磁波造成散射，這是金屬產(chǎn)生電阻的原因第九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論由此導(dǎo)出電導(dǎo)率為nef ：單位體積內(nèi)參與導(dǎo)電的電子數(shù)， 有效自由電子數(shù)t ：兩次散射之間的平均時間p ：單位時間內(nèi)散射的次數(shù)，散射幾率第十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論3：能帶理論能級的分布可以看成是準(zhǔn)連續(xù)的（稱為能帶）；金屬中的價電子是公有化，能量是量子化金屬中離子造成的勢場是

6、不均勻的，而是呈周期變化的 電子在周期勢場中運(yùn)動時，隨著位置的變化，它的能量也呈周期性的變化（接近正離子時勢能降低，離開時勢能增高）價電子在金屬中的運(yùn)動不能看成完全自由的，而是受到周期場的作用由于周期場的影響，使得價電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，即有某些能態(tài)電子是不能取值的，存在能隙第十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論禁帶：能隙所對應(yīng)的能帶稱為 禁帶。禁帶的寬窄取決于周期勢場的變化幅度，變化越大，禁帶越寬允帶：電子可以具有的能級所組成的能帶稱為允帶。在允帶中每個能級只允許有兩個自旋反向的電子存在空能級：允帶中未被填滿電子的能級，

7、具有空能級允帶中的電子是自由的，在外加電場的作用下參與導(dǎo)電，所以這樣的允帶稱為導(dǎo)帶滿帶：一個允帶所有的能級都被電子填滿的能帶 周期場中電子運(yùn)動的 E-K曲線及能帶第十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.2 金屬導(dǎo)電理論 能帶填充情況示意圖第十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.3 無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理 離子晶體中的電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo)。晶體的離子電導(dǎo)主要有兩類：第一類，固有離子電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），源于晶體點陣的基本離子的運(yùn)動。離子自身隨著熱振動離開晶格形成熱缺陷。（高溫下顯著）第二類，雜質(zhì)電導(dǎo)，由結(jié)合力較弱的離子運(yùn)動造成的。（較低溫度下雜質(zhì)

8、電導(dǎo)顯著）載流子濃度對于固有電導(dǎo)（本征電導(dǎo)），載流子由晶體本身熱缺陷弗侖克爾缺陷和肖脫基缺陷提供第十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.3 無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理本征電導(dǎo)率 式中：AS ：材料的特性常數(shù)；取決于可遷移的離子數(shù) ES ：離子激活能雜質(zhì)引起的導(dǎo)電率 當(dāng)材料中存在多種電導(dǎo)載流子時，材料的總導(dǎo)電率是各種電導(dǎo)率的總和 第十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.3 無機(jī)非金屬導(dǎo)電機(jī)理熱缺陷的濃度決定于溫度T和離解能Es。常溫下比起KT來Es很小，因而只有在高溫下，熱缺陷濃度才顯著大起來，即固有電導(dǎo)在高溫下顯著雜質(zhì)離子載流子的濃度決定于雜

9、質(zhì)的數(shù)量和種類。因為雜質(zhì)離子的存在，不僅增加了電流載體數(shù)，而且使點陣發(fā)生畸變，雜質(zhì)離子離解活化能變小。和固有電導(dǎo)不同，低溫下，離子晶體的電導(dǎo)主要由雜質(zhì)載流子濃度決定第十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響金屬導(dǎo)電性的因素一：溫度溫度升高時：1）離子振動加劇，熱振動振幅加大，原子的無序度增加，周期勢場的漲落也加大2）導(dǎo)致電子運(yùn)動的自由程減小，散射幾率增加，使電阻率增大 T=2K TD T2/3D 在高于室溫以上溫度時 金屬電阻率與溫度的關(guān)系第十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性的因素二：應(yīng)力彈性拉應(yīng)力，使原子

10、間距增大，點陣畸變增大，電阻增大關(guān)系如下0未加載荷時的電阻率，應(yīng)力系數(shù)，拉應(yīng)力壓應(yīng)力使原子間距減小，點陣動畸變減小，電阻率降低關(guān)系如下0真空下的電阻率，壓力系數(shù)（負(fù)數(shù)），p壓力第十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性的因素三：冷加工變形使晶體點陣畸變、晶格缺陷增加（特別是空位濃度），造成點陣電場的不均勻而加劇對電子的散射原子間距改變，導(dǎo)致電阻率增加再結(jié)晶時，使電阻降低馬基申定則：式中：(T)：與溫度有關(guān)的退火金屬電阻率 ：冷加工變形產(chǎn)生的附加電阻率，與溫度無關(guān)第十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性

11、的因素四：合金元素及相結(jié)構(gòu)1：固溶體形成固溶體時，電阻率增加溶質(zhì)原子的溶入引起溶劑點陣的畸變，破壞了晶格勢場的周期性，增加電子的散射組元間化學(xué)相互作用（能帶、電子云分布等）加強(qiáng)，有效電子數(shù)減少第二十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性的因素根據(jù)馬基申定則：0 ：固溶體溶劑組元的電阻率/ ：殘余電阻率 其中 c ：溶質(zhì)原子含量 ：1%溶質(zhì)原子引起的附加電阻率上式表明：合金電阻由兩部分組成溶劑的電阻，它隨溫度升高而增大溶質(zhì)引起的附加電阻，與溫度無關(guān)，與溶質(zhì)原子的含量有關(guān) Au-Ag合金電阻率 和成分的關(guān)系第二十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6

12、月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性的因素2：有序固溶體有序化后，合金組元化學(xué)作用加強(qiáng)，電子結(jié)合比無序化增強(qiáng)，導(dǎo)致導(dǎo)電電子數(shù)減少而使合金電阻增加晶體的離子電場在有序化后更對稱，減少電子散射電阻降低（主導(dǎo)）因此合金有序化后，總體電阻降低但對某些合金（含有過渡族金屬元素），存在局部的原子偏聚，其成分與固溶體的平均成分不同。原子偏聚區(qū)的幾何尺寸與電子自由程同數(shù)量級，增加電子散射幾率，提高合金電阻率 第二十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 材料的導(dǎo)電性1.4 影響材料導(dǎo)電性的因素4：化合物、中間相、多相合金當(dāng)兩種金屬形成化合物時，電阻率要比純組元高很多化合物原子間的金屬鍵部分地轉(zhuǎn)

13、化為共價鍵或離子鍵，導(dǎo)電電子數(shù)減少中間相的導(dǎo)電性在固溶體和化合物之間與組成相的導(dǎo)電性、相對量、合金的組織形態(tài)有關(guān)。通常近似認(rèn)為多相合金的電阻率為各相電阻率的加權(quán)平均第二十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.1 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能 特點元素周期表中的IVA族的C、Si、Ge、Sn、Pb 原子間的結(jié)合是共價鍵本征半導(dǎo)體指純凈的無結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶 本征激發(fā)過程 第二十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.1 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能在0K時，半導(dǎo)體的空帶中無電子，即無電子的運(yùn)動在溫度升高或受光照射時，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，其中一部分獲

14、得足夠大能量的價電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子，躍遷到空帶。這時空帶中有了一部分導(dǎo)電的電子，稱為導(dǎo)帶，滿帶中由于部分價電子的遷出出現(xiàn)了空位置，稱為價帶當(dāng)一個價電子離開原子后，在共價鍵上留下一個空位，在共有化運(yùn)動中，相鄰的價電子很容易填補(bǔ)到這個空位，從而又出現(xiàn)新的空位，其效果等價于空位移動在外加電場作用下，自由電子和空穴都能導(dǎo)電，它們統(tǒng)稱為載流子 第二十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.1 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能1） 本征載流子的濃度 K1 ：常數(shù)，其值為4.82x1015K-3/2；Eg ：禁帶寬度2）本征半導(dǎo)體的遷移率 單位場強(qiáng)（V/cm）下自

15、由電子的平均漂移速度因此自由電子的平均漂移速度 第二十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.1 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能3）空穴的平均遷移率 單位場強(qiáng)（V/cm）下空穴的平均漂移速度 4）空穴的平均漂移速度自由電子的自由度大，故遷移率較大，空穴的漂移被約束在共價鍵范圍內(nèi)，所以空穴的遷移率小5）本征半導(dǎo)體的電阻率因為電流密度 電阻率第二十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.1 本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征半導(dǎo)體小結(jié)本征激發(fā)成對地產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度和空穴濃度相等禁帶寬度越大，載流子濃度越小溫度升高時，載流子濃度增大載流子濃

16、度與原子濃度相比是極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱第二十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能一、n型半導(dǎo)體加五價元素：磷、砷、銻，晶體中自由電子濃度增加原因五價元素的原子有五個價電子頂替晶格中的一個四價原子時，有一個價電子變成多余這個價電子能級ED靠近導(dǎo)帶底，（EC-FD）比Eg小得多多余價電子具有大于（EC-ED）的能量，進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子第二十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能 n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) n型半導(dǎo)體能帶圖第三十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.

17、 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能五價元素稱為施主雜質(zhì)；ED施主能級；（EC-ED）施主電離能n型半導(dǎo)體中，自由電子濃度大，自由電子稱為多數(shù)載流子（多子）；空穴稱為少子在電場作用下，以電子導(dǎo)電為主（電子型半導(dǎo)體） 電流密度 電阻率第三十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能二、p型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素：硼、鋁、鎵、銦，空穴濃度增加多余一個空位置，其它同n型半導(dǎo)體 電流密度 電阻率特點（與本征半導(dǎo)體相比）摻雜濃度雖小，但載流子濃度大大提高，導(dǎo)電能力大大提高摻雜只是使一種載流子濃度提高，主要靠多子導(dǎo)電第三十二張，PPT共五十

18、八頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 半導(dǎo)體的電學(xué)性能 2.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能 p型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) p型半導(dǎo)體能帶圖第三十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能一、極化的基本概念現(xiàn)象：1、在真空平行板電容器電極間 嵌入介質(zhì)2、在電極之間加外電場3、介質(zhì)表面會感應(yīng)出電荷4、正極板附近：負(fù)電荷 負(fù)極板附近：正電荷5、電荷不會跑到極板上形成電 流（束縛電荷）極化：介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，這類介質(zhì)稱為電介質(zhì) 電介質(zhì)極化示意圖第三十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能特點組成介電質(zhì)的粒子

19、（原子、分子和離子）可分為非極性與極性非極性介質(zhì)粒子：在沒有外加電場作用時，正負(fù)電荷中心重合，對外不顯示極性；在外加電場作用時粒子的正電荷沿電場方向移動，負(fù)電荷沿逆電場方向移動，形成電偶極矩極性介質(zhì)粒子：存在電偶極矩，沒有外加電場時，電偶極矩隨機(jī)排列，整個電介質(zhì)呈電中性，有外加電場時，電偶極矩有轉(zhuǎn)向外電場方向的趨勢當(dāng)外電場取消后，介質(zhì)表面的束縛電荷消失第三十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能粒子極化率：單位電場強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大小表示：式中：Eloc作用在粒子上的局部電場，與宏觀外電場不同 電偶極矩 極化率，表征材料的極化能

20、力，與材料性質(zhì)有關(guān) 單位為F.m2 （法.米2）第三十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能極化強(qiáng)度：電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和可表示為式中：n0單位體積中的偶極子數(shù)； 偶極子的平均電偶極矩單位為庫侖/米2 (C/m2)對于線性極化有所以第三十七張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能二、極化的基本形式1：位移極化1）電子位移極化在外加電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移而形成的極化該模型可看成一個彈性束縛電荷在作強(qiáng)迫振動，根據(jù)彈性振動理論，可證明該粒子電子位移極化的極化率

21、為在交變電場作用下時靜態(tài)極化率（0)介質(zhì)極化： 1）電子極化 2）離子極化 3）偶極子轉(zhuǎn)向極化： 振動頻率0：彈性偶極子 的固有頻率第三十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能2）離子位移極化點陣節(jié)點上的正負(fù)離子在E 作用下，發(fā)生相對位移而引起的極化，離子的位移受彈性恢復(fù)力限制在交變電場作用下時靜態(tài)極化率（0 )第三十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能2、松弛極化特點既要考慮電場的作用，又要考慮粒子的熱運(yùn)動材料中存在弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛粒子熱運(yùn)動使松弛粒子分布混亂，電場使松

22、弛粒子按電場分布，在一定溫度下發(fā)生極化粒子需要克服勢壘才能移動，是一個不可逆過程，伴隨有能量的損耗第四十張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能1）電子松弛極化 由弱束縛電子引起晶格熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部變化等，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子晶格熱振動時，吸收一定能量由較低的局部能級躍遷到較高的能級（激發(fā)態(tài)），由一個結(jié)點轉(zhuǎn)移到另一個結(jié)點外加電場使弱束縛電子運(yùn)動具有方向性，形成了極化第四十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能2）離子松弛極化（

23、和粒子的熱運(yùn)動有關(guān)）由弱聯(lián)系離子產(chǎn)生在玻璃態(tài)材料、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體以及晶體的缺陷和雜質(zhì)區(qū)域，離子能量較高，易被活化遷移，這些能量較高的離子稱為弱聯(lián)系離子弱聯(lián)系離子的極化可以從一個平衡位置到另一個平衡位置去掉電場后，離子不能回到原來的平衡位置（不可逆遷移）離子松弛極化和離子電導(dǎo)不同，它僅作有限距離的遷移，只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動第四十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能3、轉(zhuǎn)向極化在極性分子介質(zhì)中，無外加電場時，各極性分子的取向是隨機(jī)的，介質(zhì)整體的偶極矩為零有外加電場時，偶極子趨于轉(zhuǎn)向外電場的方向，但熱運(yùn)動抵抗這種趨勢，最后達(dá)到平

24、衡根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)理論，極性分子的轉(zhuǎn)向極化率為第四十三張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能三、介電常數(shù)假設(shè)在平行板電容器的兩極板上充以一定的自由電荷當(dāng)兩極板存在電介質(zhì)時，兩極板的電位差比真空時低由于介質(zhì)的電極化，在電介質(zhì)材料表面出現(xiàn)了感應(yīng)電荷部分屏蔽了極板上的電荷所產(chǎn)生的靜電場的結(jié)果第四十四張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能根據(jù)靜電場理論：電位移矢量D可定義為：電容器極板上的自由電荷面密度，其方向為自由正電荷指向自由負(fù)電荷，單位與極化強(qiáng)度一致真空時：極板上的電位移與外加電場的關(guān)系為0 ：

25、真空介電常數(shù)當(dāng)極板間充以均勻電介質(zhì)時 （P：極化強(qiáng)度）第四十五張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能在各向同性的線性電介質(zhì)中, 極化強(qiáng)度P與電場強(qiáng)度E成正比，且方向相同，即 -電介質(zhì)的極化率， 對于均勻電介質(zhì)是常數(shù)，對于非均勻電介質(zhì)則是空間坐標(biāo)的函數(shù)。定量表示電介質(zhì)被電場極化的能力，是電介質(zhì)宏觀極化參數(shù)之一 所以 令 則有第四十六張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能因此有則上式表示了電介質(zhì)中與極化有關(guān)的宏觀參數(shù)( 、r、E）與微觀參數(shù)( 、n0、Eloc )之間地關(guān)系。 第四十七張，PPT

26、共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.1 絕緣體的介電性能在交變電場下，由于介質(zhì)的極化建立需要一定時間，E、D、P均變?yōu)閺?fù)數(shù)矢量，介電常數(shù)也變成一個復(fù)數(shù)，若介質(zhì)中發(fā)生松弛極化，它們均有不同相位，如果滯后相位角時 有 式中：為復(fù)介電常數(shù)，s為靜態(tài)介電常數(shù)， 、 分別為復(fù)介電常數(shù)的實部和虛部第四十八張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗一、電介質(zhì)損耗的基本概念在E作用下，介電質(zhì)內(nèi)部會發(fā)熱的現(xiàn)象 （電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽p耗功率（介電損耗）：單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量漏導(dǎo)電流：實際使用的絕緣材料都不是完善的理想電介質(zhì)，在E的作用下

27、，總有一些帶電粒子會發(fā)生位移引起微弱電流，這微弱電流-漏導(dǎo)電流漏導(dǎo)損耗：漏電電流流經(jīng)介質(zhì)，使介質(zhì)發(fā)熱而消耗電能，因電導(dǎo)引起的損耗極化損耗：極化過程中的損耗 （除彈性位移極化外的極化過程都消耗能量，如松弛極化）第四十九張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗二、介質(zhì)的損耗形式1：電導(dǎo)損耗實際使用的介電質(zhì)不可能是理想的絕緣體，在E的作用下，介質(zhì)中會有很小的電流 這種電流是由帶電粒子產(chǎn)生（正、負(fù)離子；離子空位；電子和空穴等載流子）-泄漏電流電子、空穴引起的漏導(dǎo)電流電子電導(dǎo)離子、空位引起的漏導(dǎo)電流離子電導(dǎo)一般在低場強(qiáng)離子電導(dǎo)，在高場強(qiáng)電子電導(dǎo)第五十張，

28、PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗2：極化損耗松弛極化造成的極化損耗，發(fā)生在偶極子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)和離子晶格不緊密的離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中是粒子（偶極子、離子）在電場力的影響下克服熱運(yùn)動引起的根據(jù)松弛極化機(jī)制，松弛極化建立時間較長，極化造成的電矩滯后外加電場，這是造成損耗的原因由于滯后，在極板電壓反相時，有一部分電荷被中和，并以熱的形式發(fā)出，產(chǎn)生能量損耗極化損耗和外加頻率有關(guān)，頻率高時，損耗加大，頻率低時，損耗降低第五十一張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能 3.2 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗3：電離損耗含有氣孔的固體介質(zhì)在外加電場超過氣體電離所需要的電場強(qiáng)度時，由于氣體的電離吸收能量而造成的損耗（電離損耗）一般氣體的耐電壓能力低于固體絕緣體，電容率也比固態(tài)低，因此承受的電場強(qiáng)度比固體大，氣體易游離，電介質(zhì)損耗發(fā)熱膨脹，導(dǎo)致熱破壞或老化第五十二張，PPT共五十八頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 絕緣體的電學(xué)性能