材料的介電性能培訓教程課件

第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能1在外電場作用下，材料發(fā)生兩種響應：電傳導電感應絕緣起滿足電容作用的器件在外電場作用下，材料發(fā)生兩種響應：2電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)：在電場作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。電介質(zhì)的特征是以正負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用和影響。電介質(zhì)物理研究對象：研究電介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷在電場（包括電頻電場和光頻電場）作用下的電極化過程；闡明其電極化規(guī)律與介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；揭示其宏觀介電性質(zhì)的微觀機制，進而發(fā)展電介質(zhì)的效用。電介質(zhì)基本概念3〈經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書〉首批著作出版志賀介質(zhì)以極化為本質(zhì)特征，衍生多種功能效應于一體，兼秉豐富深刻之物理內(nèi)涵，前程無限。嘆我介電學科，相對滯后，極化之類基本問題，仍未徹底解開。更有心態(tài)浮燥，不重基礎，回避難題，急功近利。諸多不足之處，吾人當自省。

—姚熹院士〈經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書〉首批著作出版志賀4姚熹乃學界之領(lǐng)軍人物，主編《經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書》，實為膽識超群之善行義舉，功德無量。切望學者諸君，乘機奮起。須知經(jīng)典傳世之作，乃學科之根本。從此精讀經(jīng)典，錘煉功底，不求捷徑，迎難而行。學科大發(fā)展，勢在必然中。

——鐘維烈2008年4月姚熹乃學界之領(lǐng)軍人物，主編《經(jīng)典電介5電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場中以感應而并非傳導的方式呈現(xiàn)其電學性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應、鐵電效應、熱釋電效應等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強度。目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大6無機材料與有機塑料比較：有機塑料:便宜、易制成更精確的尺寸；無機材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時在應力作用下，無蠕變或形變;有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會氧化、氣化或分解）;能夠與金屬進行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。無機材料與有機塑料比較：7電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點：內(nèi)部場強一般不為零。1.有極分子和無極分子電介質(zhì)有極分子：分子的正電荷中心與負電荷中心不重合。負電荷中心正電荷中心無極分子：分子的正電荷中心與負電荷中心重合如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等。。++H+HO

介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點：內(nèi)部場強一般不為82.電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化加上外電場后，在電場作用下介質(zhì)分子正負電荷中心不再重合，出現(xiàn)分子電矩。2.電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化加上外電場9無外電場時，有極分子電矩取向不同，整個介質(zhì)不帶電。（2）有極分子的取向極化在外電場中有極分子的固有電矩要受到一個力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場方向趨于一致。無外電場時，有極分子電矩取向不同，整個介質(zhì)不帶電。（10真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由電荷+－偶極子束縛電荷1.具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)的極化真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++++++11電極化強度矢量（1）電極化強度矢量單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和。（2）空間任一點總電場總電場外電場束縛電荷電場（3）電極化強度與總電場的關(guān)系極化率（4）極化率與相對介電常數(shù)的關(guān)系電極化強度矢量（1）電極化強度矢量單位體積內(nèi)分子電偶極矩的12介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個系數(shù)，以字母ε表示，單位為法/米(F/m)

定義為電位移D和電場強度E之比，ε=D/Ε。電位移D的單位是庫/二次方米(C／m^2)。

某種電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比稱為該電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr

，εr＝ε／ε0是無量綱的純數(shù)，

介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性13說明：1.真空中P

=0

，真空中無電介質(zhì)。2.導體內(nèi)P

=0，導體內(nèi)不存在電偶極子。注意:介質(zhì)極化也有均勻極化與非均勻極化之分。3.電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈電介質(zhì)的極化說明：1.真空中P=0，真空中無電介質(zhì)。2.導體內(nèi)14電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

彈性位移極化（瞬時極化）取向極化（弛豫極化）電子位移極化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,τissmall離子位移極化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶極子取向極化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空間電荷極化(SpaceChargePolarizability)

Responseisquiteslow,τislarge松弛極化電子松弛極化離子松弛極化電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

彈性位移極化取向極化電子位移極15電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

16電子云位移極化的特點：a)極化所需時間極短，在一般頻率范圍內(nèi)，可以認為ε與頻率無關(guān)；

b)具有彈性，沒有能量損耗。

c)溫度對電子式極化影響不大。

電子位移極化：

電場作用時，正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程)

電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。

電子云位移極化的特點：電子位移極化：

電場作用時，正17另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態(tài)。在這個新平衡狀態(tài)中該原子具有一個有限大小的感應偶極矩，用Pe表示感應偶極矩的大小，Pe與電場之間的關(guān)系為：

另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負電中18其中e稱為電子位移極化率。其中e稱為電子位移極化率。19利用玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化率的大小與原子（離子）的半徑有關(guān)利用玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化20離子位移極化：對于離子組成的分子，在電場作用下，正負離子都要產(chǎn)生有限范圍的位移，因而使介質(zhì)產(chǎn)生感應偶極矩。這種感應偶極矩是正負離子之間出現(xiàn)相對位移的結(jié)果。主要存在于離子化合物材料中，如云母、陶瓷等。

在電場E的作用下，正負離子產(chǎn)生相對位移示意圖

離子位移極化：在電場E的作用下，正負離子產(chǎn)生相對位移示意圖21positivenegativeEPpositivenegativeEP22如果用i代表離子位移極化率；Pi代表離子位移的感應偶極矩；E代表電場強度。它們之間的關(guān)系為：如果用i代表離子位移極化率；Pi代表離子位移的感應偶極矩；23離子位移極化的特點：

a)時間很短，在頻率不太高時，可以認為ε與頻率無關(guān)；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個相反因素的影響：溫度升高時離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。通常，前一種因素影響較大.離子位移極化的特點：a)時間很短，在頻率不太高時，可以認24固有偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極分子），例如，水分子H2O，其中氧離子與二個氫離子不是在一條直線上，而是分布在三角形的三個頂點上。因此水分子的正負電荷中心不重合，存在固有偶極矩，如圖所示。固有偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極25PP26當電場E=0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，所以各偶極矩的矢量和為零，介質(zhì)不存在極化。當電場E0時，在電場作用下，這些固有偶極矩將沿著電場方向排列，各偶極矩的矢量和不為零，介質(zhì)產(chǎn)生極化。在離子位移極化和電子位移極化的情況，位移極化的產(chǎn)生是由于電場力與彈性力的共同作用下出現(xiàn)與電場方向平行的感應偶極矩。

當電場E=0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，27電場力的作用是使正負電荷中心分離，準彈性力的作用是使正負電荷中心重合，即準彈性力起著阻礙極化的作用。電場力與準彈性力是矛盾的兩個方面。在取向極化的情況中，電場的作用是使分子的固有偶極矩轉(zhuǎn)到沿電場的方向排列；而妨礙定向排列的阻力是介質(zhì)中分子的熱運動。

電場力的作用是使正負電荷中心分離，準彈性力的作用是使正負電荷28或者說，電場的作用使固有偶極矩有序化，熱運動的作用使固有偶極矩無序化，電場與熱運動是矛盾的兩個方面。為了強調(diào)位移極化與取向極化的差別，有時也稱前者為與熱運動無關(guān)的極化，后者為與熱運動有關(guān)的極化。取向極化與位移極化的機制不同，因此處理方法也不同。要用熱運動有關(guān)的規(guī)律來解決取向極化的問題。或者說，電場的作用使固有偶極矩有序化，熱運動的作用使固有偶極29當電場E=0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序化；電場E0，熱運動=0（絕對零度）時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當電場E0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈低，有序化程度就愈低。

當電場E=0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序30有極分子的分布示意圖有極分子的分布示意圖31因為當溫度不等于絕對零度（即T0K）時，介質(zhì)中各分子的熱運動也不等于零，所以在一般電場作用下，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩是不能出現(xiàn)如圖所示的完全有序化，這也表示當E=0，T0K時，各分子的固有偶極矩在電場方向上的分量各不相同,而固有偶極矩在電場方向上的分量才對介質(zhì)的極化有貢獻.

因為當溫度不等于絕對零度（即T0K）時，介質(zhì)中各分子的熱32計算結(jié)果,可得取向極化率orien為式中為P0分子固有偶極矩，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。

計算結(jié)果,可得取向極化率orien為式中為P0分子固有偶33可以看出，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)，而位移極化率與溫度無關(guān)?？梢钥闯?，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)，34偶極子取向極化的特點：a)極化是非彈性的，消耗的電場能在復原時不可能收回。b)形成極化所需時間較長，故ε與頻率有較大關(guān)系，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)動，因而其ε減小。c)溫度對極性介質(zhì)的ε有很大的影響。

偶極子取向極化的特點：35如果介質(zhì)極化時存在上述三種極化機制，其中以取向極化的貢獻最大。分子中存在固有偶極矩的概念的建立，不僅可以解釋一些由有極分子組成的電介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)這一事實，而且對于電介質(zhì)的了解和有關(guān)的分子結(jié)構(gòu)知識都是有貢獻的。如果介質(zhì)極化時存在上述三種極化機制，其中以取向極化的貢獻最大36松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點由于熱運動使之分布混亂，電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。37（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)

缺陷區(qū)U松U’松U導電（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)缺陷區(qū)U松U’松U導電38根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場作用下的運動，以及對弱離子運動位壘計算，可以得到離子熱弛豫極化率的大小為：

式中：q為離子荷電量，δ為弱聯(lián)系離子在電場作用下的遷移。由式可見，溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，極化率減小。離子松弛極化率比電子位移極化率大一個數(shù)量級，可導致材料大的介電常數(shù)。根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場作用下的運動，以及對弱離子運動位壘計39（2）電子松弛極化電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動下，吸收一定能量由低級局部能級躍遷到較高能級處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個陽離子結(jié)點，移到另一個陽離子結(jié)點；外加電場使其運動具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。（2）電子松弛極化電子松弛極化：40松馳極化的特點：松馳極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。松馳極化的特點：41空間電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運動的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。----++++----++++----++++外電場P空間電荷極化空間電荷極化：---外電場P42空間電荷極化的特點：①時間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的升高而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時因空間電荷來不及移動，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象?？臻g電荷極化的特點：43自發(fā)極化如果晶胞不僅結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心，而且在無外力作用時晶胞本身的正、負電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復性。晶胞的固有電矩便會沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化狀態(tài)是在外場為零時自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化44各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有各種極化形式的比較極化形式極45材料的介電性能培訓教程46宏觀極化強度與微觀極化率外加電場E外E1

外加電場E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。即極板上的所有電荷所產(chǎn)生）構(gòu)成物體的所有質(zhì)點電荷的電場之和E1

（退極化電場，即由材料表面感應的電荷所產(chǎn)生）E宏=E外+E11.宏觀電場：－++++－－－－++－－+－++++－－－宏觀極化強度與微觀極化率外加電場E外E1472.原子位置上的局部電場Eloc

（有效電場）

Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3對于氣體質(zhì)點，其質(zhì)點間的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同。對于固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定質(zhì)點上的局部電場有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點的內(nèi)電場周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定質(zhì)點上的電場貢獻。2.原子位置上的局部電場Eloc（有效電場）++48根據(jù)D=oE+P（D為電位移或電感應）得P

=D－oE=（1－o

）E=o

（r－1）E由Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o得Eloc=（r

+2）E/3設介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點數(shù)等于N，則又有

P=N=NEloc得（r

－1

）/（r+2

）=Ni/（3o

）上式為克勞修斯-莫索蒂方程3.克勞修斯-莫索蒂方程根據(jù)D=oE+P（D為電位49

克勞修斯-莫索蒂方程的意義：建立了可測物理量r

（宏觀量）與質(zhì)點極化率（微觀量）之間的關(guān)系?？藙谛匏?莫索蒂方程的適用范圍：適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當對稱性的固體。從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點：（r

－1

）/（r+2

）=Ni/（3o

）（r

－1

）/（r+2

）-----r越大其值越大介質(zhì)中質(zhì)點極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù)?？藙谛匏?莫索蒂方程的意義：50影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系影響介電常數(shù)的因素：51介電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩大類：非線性的陶瓷介質(zhì)：鐵電陶瓷、松弛極化十分明顯的材料。線性的陶瓷介質(zhì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)：隨溫度變化，介電常數(shù)的相對變化率，即：

TK=d/dT實際工作中的方法：TK=(t－o)/o(t－to)介電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩52損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voeit，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。由Q=CoVV=Q/Co=Idt/CoI=CodV/dt電容上的電流：Io=iCoV兩極板間充入非極性完全絕緣的材料，電容上的電流：I=iCV=irCoV=rIo

損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Vo53如果介質(zhì)有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流（I=iCV+GV）通過ViCV設電導G僅由自由電荷產(chǎn)生，則:G=S/d,由于電容:C=lS/d則電流密度:j=(il+)E=*E=il*E復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）如果介質(zhì)有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流54介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：根據(jù)用途，對其有不同的要求：要求為正：濾波旁路和隔直流的電容器；要求為負：熱補償電容器接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和高精度的電子儀器中的電容器。目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)。介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：55材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作用時，要經(jīng)過一段時間后，極化強度才能達到相應的數(shù)值，這個現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時間稱為弛豫時間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時間很短，取向極化的弛豫時間較長，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作56極化強度的建立位移極化強度P0

是瞬時建立的，與時間無關(guān)。松弛極化Pr強度與時間的關(guān)系比較復雜。極化強度的建立位移極化強度P0是瞬時建立的，與時間無57材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的58介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導（漏導）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導損耗。介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)59介電損耗—電導（或漏導）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運動。實質(zhì)相當于交流、直流電流流過電阻做功，一切實用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場作用下，都會發(fā)生漏導損耗。介電損耗—電導（或漏導）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電60由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當外電場頻率很低，即ω→0時，各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達到最大，而不造成損耗；②當外電場頻率逐漸升高時，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時松弛極化對介電常數(shù)的貢獻減小，使ω隨頻率升高而顯著下降，同時產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當ω→∞時，損耗達到最大；③當外電場頻率達到很高時，松弛極化來不及建立，對介電常數(shù)無貢獻，介電常數(shù)僅由位移極化決定，ω→0時，tanδ→∞，此時無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化損耗由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，61對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外電場的頻率等于晶格振動光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。介電損耗—共振吸收損耗對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外62介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復雜，不做要求介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復雜，不做要求63材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的主要形式是電導損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的641）電離損耗又稱游離損耗，主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們在外電場強度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。

當固態(tài)絕緣物中含有氣孔時，由于在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低，而且電容率也比固態(tài)小，必須盡量減小介質(zhì)中的氣孔。

材料的介電損耗1）電離損耗材料的介電損耗652）結(jié)構(gòu)損耗在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。實驗表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的。一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗2）結(jié)構(gòu)損耗材料的介電損耗66固體電介質(zhì)的電導與擊穿固體電介質(zhì)的電導理想的電介質(zhì)，在外電場作用下應該是沒有傳導電流的。實際的電介質(zhì)，或多或少地具有一定數(shù)量的弱聯(lián)系的帶電質(zhì)點。無外電場，熱運動。有外電場，定向漂移。正電荷順電場方向移動，負電荷逆電場方向移動，形成貫穿介質(zhì)的傳導電流。固體電介質(zhì)的電導與擊穿固體電介質(zhì)的電導67上式表示了電介質(zhì)的宏觀參數(shù)電導率與微觀參數(shù)——電介質(zhì)單位體積內(nèi)載流子數(shù)N、載流子電荷q、載流子的遷移率μ之間的關(guān)系。

提高電介質(zhì)的絕緣性能可以從兩個方面著手：一是減少電介質(zhì)單位體積的載流子數(shù)；二是降低遷移率。對固體電介質(zhì)，要盡量減少雜質(zhì)、熱缺陷數(shù)目。上式表示了電介質(zhì)的宏觀參數(shù)電導率與微觀參數(shù)——電介質(zhì)單位體積68表面電阻（電導）與體電阻（電導）固體電介質(zhì)電導電子電導離子電導表面電阻（電導）與體電阻（電導）69固體電介質(zhì)的電子電導電子電導的載流子：電子和空穴理想晶體—電子電導非常微弱實際晶體，雜質(zhì)的存在—電子電導較大隧道效應固體電介質(zhì)的電子電導電子電導的載流子：電子和空穴隧道效應70大部分固體電介質(zhì)的電子電導率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導電的電子（或空穴）也是從各種不同的電離中心經(jīng)過熱激發(fā)而產(chǎn)生的，并且，對于過渡元素金屬氧化物，通常它的活化能都比較小，載流子數(shù)又多，所以，在低溫和室溫下，電子電導常起主要作用。大部分固體電介質(zhì)的電子電導率的溫度關(guān)系遵循指數(shù)規(guī)律因為導電的71固體電介質(zhì)的離子電導載流子：正、負離子或離子空位固體電介質(zhì)按其結(jié)構(gòu)可分為：晶體非晶體無機電介質(zhì)和高分子非晶材料的高聚物固體電介質(zhì)的離子電導載流子：正、負離子或離子空位無機電介質(zhì)和72固體電介質(zhì)的離子電導1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導導電離子來源本征離子弱聯(lián)系離子熱缺陷在離子晶體中，考慮到它的本征電導和弱聯(lián)系電導時，σ隨溫度變化的關(guān)系式可以寫成離子活化固體電介質(zhì)的離子電導1）無機晶體材料電介質(zhì)的離子電導熱缺陷在73固體電介質(zhì)的離子電導2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導玻璃與晶體的比較，玻璃具有：結(jié)構(gòu)疏松組成中有堿金屬離子勢壘不是單一的數(shù)值，有高有低。導電的粒子：離子電子固體電介質(zhì)的離子電導2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導74玻璃離子電導率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，堿金屬離子填充在玻璃結(jié)構(gòu)的松散處，電導率與堿金屬離子濃度有直線關(guān)系；到一定限度，即空隙被填滿后，開始破壞原來結(jié)構(gòu)緊密的部位，使整個玻璃體結(jié)構(gòu)進一步松散，導電率指數(shù)上升。減小玻璃電導率的方法有雙堿效應、壓堿效應。雙堿效應：當玻璃中堿金屬離子總濃度較大時（占玻璃組成25—30%），總濃度不變，含兩種堿金屬離子比一種堿金屬離子的玻璃電導率小，當比例適當時，電導率可降低很低。玻璃離子電導率與堿金屬濃度的關(guān)系：在堿金屬氧化物含量不大時，75以K2O、Li2O為例說明雙堿效應的原因：RK+>RLi+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通過本身的空位；Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定；大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動；相互干擾的結(jié)果使電導率大大下降。以K2O、Li2O為例說明雙堿效應的原因：76半導體玻璃：電子電導性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化物玻璃具有電子導電性。例如：金屬氧化物玻璃、硫族與金屬的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶態(tài)。壓堿效應：含堿金屬玻璃中加入二價金屬離子，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導率降低。相應的陽離子半徑越大，這種效應越強。原因：二價離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，堵塞遷移通道，使堿金屬離子移動困難，電導率降低。半導體玻璃：電子電導性的玻璃。含有變價過渡金屬離子的某些氧化77高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子的最外層電子以共價鍵方式與相鄰原子鍵接，不存在自由電子或其它形式載流子（具有特定結(jié)構(gòu)的聚合物例外）。理論計算表明，結(jié)構(gòu)完整的純聚合物，電導率僅為10－25。但實際聚合物的電導率往往比它大幾個數(shù)量級，表明聚合物絕緣體中載流子主要來自材料外部，即由雜質(zhì)引起的。2）無機玻璃態(tài)電介質(zhì)的離子電導高分子材料內(nèi)的載流子很少。已知大分子結(jié)構(gòu)中，原子78這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量沒有反應的單體、殘留的引發(fā)劑和其他各種助劑以及聚合物吸附的微量水分等。例如，在電場作用下電離的水，就為聚合物提供了離子型載流子。水對聚合物的絕緣性影響最甚，尤其當聚合物材料是多孔狀或有極性時，吸水量較多，影響更大。例如以橡膠填充的聚苯乙烯材料在水中浸漬前后電導率相差兩個數(shù)量級，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同樣情況下電導率猛增八個數(shù)量級。這些雜質(zhì)來自于聚合物合成和加工過程中，包括：少量79載流子遷移率大小決定于載流子從外加電場獲得的能量和熱運動碰撞時損失的能量。研究表明，離子型載流子的遷移與聚合物內(nèi)部自由體積的大小有關(guān)，自由體積越大，遷移率越高。電子和空穴型載流子的遷移則與大分子堆砌程度相關(guān)，堆砌程度高，有利于電子躍遷，若堆砌能產(chǎn)生π電子云的交疊，形成電子直接通道，導電性會突增。載流子遷移率大小決定于載流子從外加電場獲得的能量80對離子型導電材料，溫度升高，載流子濃度和載流子遷移率均按指數(shù)率增加，因此材料電導率隨溫度按以下規(guī)律變化：（9-15）式中是材料常數(shù)，稱電導活化能。當聚合物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時，電導率或電阻率曲線將發(fā)生突然轉(zhuǎn)折，利用這一原理可測定聚合物的玻璃化溫度。對離子型導電材料，溫度升高，載流子濃度和載流子遷81結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導率下降。例如，聚三氟氯乙烯結(jié)晶度從10%增加至50%時，電導率下降10～1000倍。因為通常聚合物中，主要是離子型導電，結(jié)晶、取向和交聯(lián)會使分子緊密堆砌，降低鏈段活動性，減少自由體積，使離子遷移率下降。結(jié)晶、取向，以及交聯(lián)均使聚合物絕緣體電導率下降。82固體電介質(zhì)的表面電導其它影響因素1）空氣濕度對表面電導的影響2）電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的表面電導2）電介質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)833）電介質(zhì)表面的狀況3）電介質(zhì)表面的狀況84材料的介電性—電介質(zhì)的擊穿擊穿場強——電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。擊穿電壓——電介質(zhì)（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。電介質(zhì)的擊穿一般外電場不太強時，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當其處在很強的外電場中時，電介質(zhì)分子的正負電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷щ姴牧?。當施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。材料的介電性—電介質(zhì)的擊穿擊穿場強——電介質(zhì)所能承受的不被擊85固體電介質(zhì)的擊穿一概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿有何不同：固體介質(zhì)的擊穿場強較高擊穿后在材料中留下有不能恢復的痕跡，如燒焦或溶化的通道、裂縫等

，去掉外施電壓，不能自行恢復絕緣性能

擊穿形式熱擊穿電擊穿電化學擊穿（不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿）固體電介質(zhì)擊穿場強與電壓作用時間的關(guān)系固體電介質(zhì)的擊穿一概述與氣體、液體介質(zhì)相比，固體介質(zhì)的擊穿86（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的。

影響因素與材料的性能有關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)（電極的配置與散熱條件）及電壓種類、環(huán)境溫度等有關(guān)

因此熱擊穿強度不能看作是電介質(zhì)材料的本征特性參數(shù)

（二）電擊穿在較低溫度下，采用了消除邊緣效應的電極裝置等嚴格控制的條件下，進行擊穿試驗時所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過程所造成的。影響因素87主要特性：

擊穿場強高（大致在5～15MV/cm范圍），實用絕緣系統(tǒng)是不可能達到的在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場強隨溫度升高而增大，或變化不大

意義反映了固體介質(zhì)耐受電場作用能力的最大限度僅與材料的化學組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為耐電強度或電氣強度（三）不均勻電介質(zhì)的擊穿包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種擊穿形式。擊穿往往是從耐電強度低的氣體中開始，表現(xiàn)為局部放電，然后或快或慢地隨時間發(fā)展至固體介質(zhì)劣化損傷逐步擴大，致使介質(zhì)擊穿。

主要特性：擊穿場強高（大致在5～15MV/cm范圍），實用88演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！89第五章材料的介電性能第五章材料的介電性能90在外電場作用下，材料發(fā)生兩種響應：電傳導電感應絕緣起滿足電容作用的器件在外電場作用下，材料發(fā)生兩種響應：91電介質(zhì)基本概念電介質(zhì)：在電場作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。電介質(zhì)的特征是以正負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用和影響。電介質(zhì)物理研究對象：研究電介質(zhì)內(nèi)部束縛電荷在電場（包括電頻電場和光頻電場）作用下的電極化過程；闡明其電極化規(guī)律與介質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系；揭示其宏觀介電性質(zhì)的微觀機制，進而發(fā)展電介質(zhì)的效用。電介質(zhì)基本概念92〈經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書〉首批著作出版志賀介質(zhì)以極化為本質(zhì)特征，衍生多種功能效應于一體，兼秉豐富深刻之物理內(nèi)涵，前程無限。嘆我介電學科，相對滯后，極化之類基本問題，仍未徹底解開。更有心態(tài)浮燥，不重基礎，回避難題，急功近利。諸多不足之處，吾人當自省。

—姚熹院士〈經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書〉首批著作出版志賀93姚熹乃學界之領(lǐng)軍人物，主編《經(jīng)典電介質(zhì)科學叢書》，實為膽識超群之善行義舉，功德無量。切望學者諸君，乘機奮起。須知經(jīng)典傳世之作，乃學科之根本。從此精讀經(jīng)典，錘煉功底，不求捷徑，迎難而行。學科大發(fā)展，勢在必然中。

——鐘維烈2008年4月姚熹乃學界之領(lǐng)軍人物，主編《經(jīng)典電介94電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類在電場中以感應而并非傳導的方式呈現(xiàn)其電學性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應、鐵電效應、熱釋電效應等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強度。目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大95無機材料與有機塑料比較：有機塑料:便宜、易制成更精確的尺寸；無機材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時在應力作用下，無蠕變或形變;有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會氧化、氣化或分解）;能夠與金屬進行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。無機材料與有機塑料比較：96電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點：內(nèi)部場強一般不為零。1.有極分子和無極分子電介質(zhì)有極分子：分子的正電荷中心與負電荷中心不重合。負電荷中心正電荷中心無極分子：分子的正電荷中心與負電荷中心重合如氦(He)、氫(H2)、甲烷(CH4)等。。++H+HO

介質(zhì)極化和靜態(tài)介電常數(shù)電介質(zhì)：絕緣體，無自由電荷。電介質(zhì)極化特點：內(nèi)部場強一般不為972.電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化加上外電場后，在電場作用下介質(zhì)分子正負電荷中心不再重合，出現(xiàn)分子電矩。2.電介質(zhì)的極化（1）無極分子的位移極化加上外電場98無外電場時，有極分子電矩取向不同，整個介質(zhì)不帶電。（2）有極分子的取向極化在外電場中有極分子的固有電矩要受到一個力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場方向趨于一致。無外電場時，有極分子電矩取向不同，整個介質(zhì)不帶電。（99真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由電荷+－偶極子束縛電荷1.具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象電介質(zhì)的極化真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++++++100電極化強度矢量（1）電極化強度矢量單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和。（2）空間任一點總電場總電場外電場束縛電荷電場（3）電極化強度與總電場的關(guān)系極化率（4）極化率與相對介電常數(shù)的關(guān)系電極化強度矢量（1）電極化強度矢量單位體積內(nèi)分子電偶極矩的101介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個系數(shù)，以字母ε表示，單位為法/米(F/m)

定義為電位移D和電場強度E之比，ε=D/Ε。電位移D的單位是庫/二次方米(C／m^2)。

某種電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比稱為該電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr

，εr＝ε／ε0是無量綱的純數(shù)，

介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)，介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性102說明：1.真空中P

=0

，真空中無電介質(zhì)。2.導體內(nèi)P

=0，導體內(nèi)不存在電偶極子。注意:介質(zhì)極化也有均勻極化與非均勻極化之分。3.電偶極子排列的有序程度反映了介質(zhì)被極化的程度，排列愈有序說明極化愈烈電介質(zhì)的極化說明：1.真空中P=0，真空中無電介質(zhì)。2.導體內(nèi)103電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

彈性位移極化（瞬時極化）取向極化（弛豫極化）電子位移極化（ElectronicPolarizability）

Responseisfast,τissmall離子位移極化（IonicPolarizability）

Responseisslower偶極子取向極化（DipolarPolarizability）

Responseisstillslower空間電荷極化(SpaceChargePolarizability)

Responseisquiteslow,τislarge松弛極化電子松弛極化離子松弛極化電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

彈性位移極化取向極化電子位移極104電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

電介質(zhì)極化的微觀機理（類型）

105電子云位移極化的特點：a)極化所需時間極短，在一般頻率范圍內(nèi)，可以認為ε與頻率無關(guān)；

b)具有彈性，沒有能量損耗。

c)溫度對電子式極化影響不大。

電子位移極化：

電場作用時，正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程)

電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。

電子云位移極化的特點：電子位移極化：

電場作用時，正106另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負電中心重合。就是在這二各力的作用下原子處于一種新的平衡狀態(tài)。在這個新平衡狀態(tài)中該原子具有一個有限大小的感應偶極矩，用Pe表示感應偶極矩的大小，Pe與電場之間的關(guān)系為：

另一方面，殼層電子與原子核之間的相互吸引力的作用是使正負電中107其中e稱為電子位移極化率。其中e稱為電子位移極化率。108利用玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化率的大小與原子（離子）的半徑有關(guān)利用玻爾原子模型，可具體估算出的大小，即結(jié)論：電子極化109離子位移極化：對于離子組成的分子，在電場作用下，正負離子都要產(chǎn)生有限范圍的位移，因而使介質(zhì)產(chǎn)生感應偶極矩。這種感應偶極矩是正負離子之間出現(xiàn)相對位移的結(jié)果。主要存在于離子化合物材料中，如云母、陶瓷等。

在電場E的作用下，正負離子產(chǎn)生相對位移示意圖

離子位移極化：在電場E的作用下，正負離子產(chǎn)生相對位移示意圖110positivenegativeEPpositivenegativeEP111如果用i代表離子位移極化率；Pi代表離子位移的感應偶極矩；E代表電場強度。它們之間的關(guān)系為：如果用i代表離子位移極化率；Pi代表離子位移的感應偶極矩；112離子位移極化的特點：

a)時間很短，在頻率不太高時，可以認為ε與頻率無關(guān)；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個相反因素的影響：溫度升高時離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。通常，前一種因素影響較大.離子位移極化的特點：a)時間很短，在頻率不太高時，可以認113固有偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極分子），例如，水分子H2O，其中氧離子與二個氫離子不是在一條直線上，而是分布在三角形的三個頂點上。因此水分子的正負電荷中心不重合，存在固有偶極矩，如圖所示。固有偶極矩取向極化如果組成介質(zhì)的分子具有固有偶極矩（稱為有極114PP115當電場E=0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，所以各偶極矩的矢量和為零，介質(zhì)不存在極化。當電場E0時，在電場作用下，這些固有偶極矩將沿著電場方向排列，各偶極矩的矢量和不為零，介質(zhì)產(chǎn)生極化。在離子位移極化和電子位移極化的情況，位移極化的產(chǎn)生是由于電場力與彈性力的共同作用下出現(xiàn)與電場方向平行的感應偶極矩。

當電場E=0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的取向是無規(guī)則的，116電場力的作用是使正負電荷中心分離，準彈性力的作用是使正負電荷中心重合，即準彈性力起著阻礙極化的作用。電場力與準彈性力是矛盾的兩個方面。在取向極化的情況中，電場的作用是使分子的固有偶極矩轉(zhuǎn)到沿電場的方向排列；而妨礙定向排列的阻力是介質(zhì)中分子的熱運動。

電場力的作用是使正負電荷中心分離，準彈性力的作用是使正負電荷117或者說，電場的作用使固有偶極矩有序化，熱運動的作用使固有偶極矩無序化，電場與熱運動是矛盾的兩個方面。為了強調(diào)位移極化與取向極化的差別，有時也稱前者為與熱運動無關(guān)的極化，后者為與熱運動有關(guān)的極化。取向極化與位移極化的機制不同，因此處理方法也不同。要用熱運動有關(guān)的規(guī)律來解決取向極化的問題?；蛘哒f，電場的作用使固有偶極矩有序化，熱運動的作用使固有偶極118當電場E=0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序化；電場E0，熱運動=0（絕對零度）時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全有序化；當電場E0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩的排列介于上述兩種情況之間。如果E愈大或溫度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或溫度愈低，有序化程度就愈低。

當電場E=0，熱運動0時，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩完全無序119有極分子的分布示意圖有極分子的分布示意圖120因為當溫度不等于絕對零度（即T0K）時，介質(zhì)中各分子的熱運動也不等于零，所以在一般電場作用下，介質(zhì)中各分子的固有偶極矩是不能出現(xiàn)如圖所示的完全有序化，這也表示當E=0，T0K時，各分子的固有偶極矩在電場方向上的分量各不相同,而固有偶極矩在電場方向上的分量才對介質(zhì)的極化有貢獻.

因為當溫度不等于絕對零度（即T0K）時，介質(zhì)中各分子的熱121計算結(jié)果,可得取向極化率orien為式中為P0分子固有偶極矩，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。

計算結(jié)果,可得取向極化率orien為式中為P0分子固有偶122可以看出，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)，而位移極化率與溫度無關(guān)?？梢钥闯?，取向極化率不同于位移極化率，取向極化率與溫度有關(guān)，123偶極子取向極化的特點：a)極化是非彈性的，消耗的電場能在復原時不可能收回。b)形成極化所需時間較長，故ε與頻率有較大關(guān)系，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)動，因而其ε減小。c)溫度對極性介質(zhì)的ε有很大的影響。

偶極子取向極化的特點：124如果介質(zhì)極化時存在上述三種極化機制，其中以取向極化的貢獻最大。分子中存在固有偶極矩的概念的建立，不僅可以解釋一些由有極分子組成的電介質(zhì)具有較大的介電常數(shù)這一事實，而且對于電介質(zhì)的了解和有關(guān)的分子結(jié)構(gòu)知識都是有貢獻的。如果介質(zhì)極化時存在上述三種極化機制，其中以取向極化的貢獻最大125松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化：松弛質(zhì)點由于熱運動使之分布混亂，電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點：比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。松弛極化松弛質(zhì)點：材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。126（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)

缺陷區(qū)U松U’松U導電（1）離子松弛極化結(jié)構(gòu)正常區(qū)缺陷區(qū)U松U’松U導電127根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場作用下的運動，以及對弱離子運動位壘計算，可以得到離子熱弛豫極化率的大小為：

式中：q為離子荷電量，δ為弱聯(lián)系離子在電場作用下的遷移。由式可見，溫度越高，熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，極化率減小。離子松弛極化率比電子位移極化率大一個數(shù)量級，可導致材料大的介電常數(shù)。根據(jù)弱聯(lián)系離子在有效電場作用下的運動，以及對弱離子運動位壘計128（2）電子松弛極化電子松弛極化：材料中弱束縛電子在晶格熱振動下，吸收一定能量由低級局部能級躍遷到較高能級處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個陽離子結(jié)點，移到另一個陽離子結(jié)點；外加電場使其運動具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。（2）電子松弛極化電子松弛極化：129松馳極化的特點：松馳極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。松馳極化的特點：130空間電荷極化空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運動的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。----++++----++++----++++外電場P空間電荷極化空間電荷極化：---外電場P131空間電荷極化的特點：①時間較長；②屬非彈性極化，有能量損耗；③隨溫度的升高而下降；④主要存在于直流和低頻下，高頻時因空間電荷來不及移動，沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。空間電荷極化的特點：132自發(fā)極化如果晶胞不僅結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心，而且在無外力作用時晶胞本身的正、負電荷中心不相重合，即晶胞具有極性，那么，由于晶體構(gòu)造的周期性和重復性。晶胞的固有電矩便會沿著同一方向排列整齊，使晶體處在高度的極化狀態(tài)下，由于這種極化狀態(tài)是在外場為零時自發(fā)地建立起來的，因此稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化133各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有各種極化形式的比較極化形式極134材料的介電性能培訓教程135宏觀極化強度與微觀極化率外加電場E外E1

外加電場E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。即極板上的所有電荷所產(chǎn)生）構(gòu)成物體的所有質(zhì)點電荷的電場之和E1

（退極化電場，即由材料表面感應的電荷所產(chǎn)生）E宏=E外+E11.宏觀電場：－++++－－－－++－－+－++++－－－宏觀極化強度與微觀極化率外加電場E外E11362.原子位置上的局部電場Eloc

（有效電場）

Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3對于氣體質(zhì)點，其質(zhì)點間的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同。對于固體介質(zhì)，周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定質(zhì)點上的局部電場有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點的內(nèi)電場周圍介質(zhì)的極化作用對作用于特定質(zhì)點上的電場貢獻。2.原子位置上的局部電場Eloc（有效電場）++137根據(jù)D=oE+P（D為電位移或電感應）得P

=D－oE=（1－o

）E=o

（r－1）E由Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o得Eloc=（r

+2）E/3設介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點數(shù)等于N，則又有

P=N=NEloc得（r

－1

）/（r+2

）=Ni/（3o

）上式為克勞修斯-莫索蒂方程3.克勞修斯-莫索蒂方程根據(jù)D=oE+P（D為電位138

克勞修斯-莫索蒂方程的意義：建立了可測物理量r

（宏觀量）與質(zhì)點極化率（微觀量）之間的關(guān)系?？藙谛匏?莫索蒂方程的適用范圍：適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當對稱性的固體。從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點：（r

－1

）/（r+2

）=Ni/（3o

）（r

－1

）/（r+2

）-----r越大其值越大介質(zhì)中質(zhì)點極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù)?？藙谛匏?莫索蒂方程的意義：139影響介電常數(shù)的因素：介電類型溫度系數(shù)介電常數(shù)與溫度呈強的非線性關(guān)系，用溫度系數(shù)描述溫度特征難度大介電常數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，可以用溫度系數(shù)描述介電常數(shù)與溫度的關(guān)系影響介電常數(shù)的因素：140介電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩大類：非線性的陶瓷介質(zhì)：鐵電陶瓷、松弛極化十分明顯的材料。線性的陶瓷介質(zhì)介電常數(shù)的溫度系數(shù)：隨溫度變化，介電常數(shù)的相對變化率，即：

TK=d/dT實際工作中的方法：TK=(t－o)/o(t－to)介電常數(shù)的溫度系數(shù)根據(jù)介電常數(shù)與溫度的關(guān)系，電子陶瓷可分為兩141損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Voeit，電容上的電流與外電壓相差90o的位相。由Q=CoVV=Q/Co=Idt/CoI=CodV/dt電容上的電流：Io=iCoV兩極板間充入非極性完全絕緣的材料，電容上的電流：I=iCV=irCoV=rIo

損耗因子在真空中的平行平板式電容器兩極板上加交變電壓V=Vo142如果介質(zhì)有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流（I=iCV+GV）通過ViCV設電導G僅由自由電荷產(chǎn)生，則:G=S/d,由于電容:C=lS/d則電流密度:j=(il+)E=*E=il*E復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

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僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）復電導率*的定義：*=il+復介電常數(shù)的定義：l*=*/i=l-i/損耗角的定義：tg=損耗項/電容項=/l

得：=ltg（

ltg

僅與介質(zhì)有關(guān)）損耗因子：ltg（其大小作為絕緣材料的判據(jù)）如果介質(zhì)有微弱的導電，則其中有一個與外加電壓相位相同的小電流143介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：根據(jù)用途，對其有不同的要求：要求為正：濾波旁路和隔直流的電容器；要求為負：熱補償電容器接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和高精度的電子儀器中的電容器。目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)。介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定：144材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作用時，要經(jīng)過一段時間后，極化強度才能達到相應的數(shù)值，這個現(xiàn)象稱為極化弛豫，所經(jīng)過的這段時間稱為弛豫時間。電子位移極化和離子位移極化的弛豫時間很短，取向極化的弛豫時間較長，所以極化弛豫主要是取向極化造成的。材料的介電性—電介質(zhì)的物理參數(shù)介電弛豫當電介質(zhì)開始受靜電場作145極化強度的建立位移極化強度P0

是瞬時建立的，與時間無關(guān)。松弛極化Pr強度與時間的關(guān)系比較復雜。極化強度的建立位移極化強度P0是瞬時建立的，與時間無146材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的往往會發(fā)生電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭崮埽┑那闆r，即發(fā)生電能的損耗。常將電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

材料的介電性——電介質(zhì)的物理參數(shù)介電損耗電介質(zhì)在電場作用下的147介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)的全部電流包括：①由樣品幾何電容的充電所造成的位移電流或電容電流，這部分電流不損耗能量；②由各種介質(zhì)極化的建立引起的電流，此電流與松弛極化或慣性極化、共振等有關(guān)，引起的損耗稱為極化損耗；由介質(zhì)的電導（漏導）造成的電流，這一電流與自由電荷有關(guān)，引起的損耗稱為電導損耗。介電損耗損耗的能量與通過其內(nèi)部的電流有關(guān)。加上電場后通過介質(zhì)148介電損耗—電導（或漏導）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電質(zhì)點。帶電質(zhì)點在外電場的作用下沿著與電場平行的方向做貫穿電極之間的運動。實質(zhì)相當于交流、直流電流流過電阻做功，一切實用工程介質(zhì)材料不論是在直流或在交流電場作用下，都會發(fā)生漏導損耗。介電損耗—電導（或漏導）損耗缺陷的存在，產(chǎn)生帶束縛較弱的帶電149由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，這里的極化一般是指弛豫型的。結(jié)論：①當外電場頻率很低，即ω→0時，各種極化都能跟上電場的變化，即所有極化都能完全建立，介電常數(shù)達到最大，而不造成損耗；②當外電場頻率逐漸升高時，松弛極化從某一頻率開始跟不上外電場變化，此時松弛極化對介電常數(shù)的貢獻減小，使ω隨頻率升高而顯著下降，同時產(chǎn)生介質(zhì)損耗，當ω→∞時，損耗達到最大；③當外電場頻率達到很高時，松弛極化來不及建立，對介電常數(shù)無貢獻，介電常數(shù)僅由位移極化決定，ω→0時，tanδ→∞，此時無極化損耗。（說明：損耗角，大小可以作為絕緣材料的判據(jù)σ=ωεtanδ）介電損耗—極化損耗由于各種電介質(zhì)極化的建立所造成的電流引起的損耗稱為極化損耗，150對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外電場的頻率等于晶格振動光頻波的頻率，則發(fā)生共振吸收。介電損耗—共振吸收損耗對于離子晶體，晶格振動的光頻波代表原胞內(nèi)離子的相對運動，若外151介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復雜，不做要求介電損耗的表示方法交流電壓作用下的介電損耗較為復雜，不做要求152材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的主要形式是電導損耗和松弛極化損耗，但還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。材料的介電損耗結(jié)構(gòu)不均勻的多相—固體無機材料，這些材料損耗的1531