材料科學(xué)與技術(shù)第四部分

（二）電介質(zhì)電介質(zhì)極化機(jī)制：（1）、分子的極化；（3)、空間電荷極化。（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；1、電介質(zhì)極化（2）、弛豫極化（電子、離子弛豫極化）；(2)、（電子、離子）弛豫極化弛豫極化

—松弛極化弛豫

—松弛：需要時(shí)間的過(guò)程所有極化都需要時(shí)間、都是弛豫的。電子、離子的弛豫極化：極化建立時(shí)間較長(zhǎng)、不同于電子、離子位移極化的一種極化材料中弱聯(lián)系（受束縛較弱）的電子、離子在電場(chǎng)和熱運(yùn)動(dòng)的共同作用下建立的一種極化狀態(tài)弱聯(lián)系的電子、離子運(yùn)動(dòng)距離可與分子尺寸相比、甚至更大電子、離子弛豫極化的建立需克服一定的勢(shì)壘極化建立時(shí)間比位移極化大得多。弛豫極化往往是不可逆的弱束縛電子A、電子弛豫極化晶格缺陷處的原子、雜質(zhì)原子中的弱束縛電子晶格缺陷處的原子或雜質(zhì)原子在禁帶中引入的局域能級(jí)或雜質(zhì)能級(jí)上的電子吸收較小的能量可由較低的局域或雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)到較高的局域或雜質(zhì)能級(jí)、甚至導(dǎo)帶沿電場(chǎng)的方向可做短距離運(yùn)動(dòng)、過(guò)程不可逆具有電子弛豫極化的材料通常具有一定的電子電導(dǎo)常出現(xiàn)于鈮、鉍、鈦氧化物陶瓷中電子弛豫極化建立時(shí)間：交變電場(chǎng)的頻率高于時(shí)，這種極化不存在弛豫極化電子：B、離子弛豫極化缺陷區(qū)弱聯(lián)系離子勢(shì)能強(qiáng)聯(lián)系離子:完整離子晶體中處于正常節(jié)點(diǎn)、能量最低、最穩(wěn)定極化時(shí)只能在平衡位置附近產(chǎn)生彈性位移弱聯(lián)系離子:離子自身能量較高，易于活化、遷移晶體中的雜質(zhì)、缺陷區(qū)域的離子或玻璃態(tài)物質(zhì)中結(jié)構(gòu)松散的離子極化時(shí)可從一個(gè)平衡位置移到另一個(gè)平衡位置平衡位置正常區(qū)強(qiáng)聯(lián)系離子勢(shì)能電場(chǎng)撤去后離子不能回到原位置過(guò)程非可逆性遷移距離可達(dá)離子晶格的數(shù)量級(jí)離子運(yùn)動(dòng)勢(shì)壘位移極化離子弛豫極化率：離子電荷離子在電場(chǎng)作用下的位移熱力學(xué)溫度離子運(yùn)動(dòng)阻力大離子弛豫極化建立時(shí)間：交變電場(chǎng)的頻率高于時(shí)，這種極化不存在跟不上電場(chǎng)的變化離子弛豫極化率比位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí)(3)、空間電荷極化材料中不僅包含完整晶體部分、缺陷部分，還可能有從外部注入的空間電荷混亂分布的空間電荷在外電場(chǎng)作用下趨于有序化：正、負(fù)空間電荷分別順、逆電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)積聚在材料中的晶界、晶格缺陷等處形成與外場(chǎng)方向相反的很強(qiáng)的電場(chǎng)空間電荷極化空間電荷熱運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散加劇，極化減弱空間電荷極化建立時(shí)間：很長(zhǎng)、幾秒至幾十分或更長(zhǎng)空間電荷極化僅在直流電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)下存在2、介電常數(shù)（電容率）真空真空平行板電容器電容的定義：與幾何尺寸的關(guān)系：極板面積；極板間距容電本領(lǐng)極板間的場(chǎng)強(qiáng)：電位移矢量大?。簶O板電荷面密度：介質(zhì)平行板電容器介質(zhì)極化在表面產(chǎn)生的束縛電荷極板上的電荷（極板間的電壓不變）電容：電介質(zhì)的介電系數(shù)介質(zhì)的極化強(qiáng)度介質(zhì)的極化強(qiáng)度：介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和極化率:相對(duì)介電系數(shù)是介質(zhì)極化的宏觀量度；越大、介質(zhì)極化程度越高介質(zhì)極化是弛豫的、需要時(shí)間的

是弛豫的、是電場(chǎng)頻率的函數(shù)頻率，Hz取向極化離子位移極化電子位移極化未考慮電子離子的弛豫極化頻率，Hz取向極化離子位移極化電子位移極化未考慮電子離子的弛豫極化交變電場(chǎng)頻率：時(shí)：電子、離子的位移極化，有極分子的偶極取向極化都能跟上電場(chǎng)的變化介電系數(shù)與直流電場(chǎng)時(shí)相同時(shí)：偶極取向極化逐漸跟不上電場(chǎng)的變化，時(shí)：偶極取向極化不能實(shí)現(xiàn)電子位移極化離子位移極化反常色散區(qū)：介電系數(shù)跌落的頻率范圍取向極化：離子位移極化：電子位移極化：倒數(shù)為松弛時(shí)間交變電場(chǎng)作用下介電系數(shù)隨溫度的變化：極性分子取向極化率：成立前提：分子在介質(zhì)中能轉(zhuǎn)動(dòng)溫度低時(shí)：分子不能轉(zhuǎn)動(dòng)、小分子轉(zhuǎn)動(dòng)可能溫度過(guò)高時(shí)：破壞分子沿電場(chǎng)的取向降低極化介質(zhì)時(shí)合適的溫度至關(guān)重要極性分子電介質(zhì)：分子的取向極化是主要極化機(jī)制電場(chǎng)中的取向不能實(shí)現(xiàn)五、絕緣體（二）電介質(zhì)1、電介質(zhì)極化2、介電常數(shù)（電容率）3、介電損耗3、介電損耗~真空電容器介質(zhì)電容器加交變電壓：極板電荷：電路中的電流：電流的相位超前電壓理想電介質(zhì)：絕對(duì)的絕緣、不存在電傳導(dǎo)，且極化與電容電流電流的相位仍超前電壓電場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率無(wú)關(guān)，即極化（）不變平行板：真實(shí)電介質(zhì)：極化時(shí)存在的漏電－傳導(dǎo)電流，且極化與電場(chǎng)的強(qiáng)度和頻率有關(guān)總電流：理想電介質(zhì)電容充放電電流；介質(zhì)極化建立電流；電介質(zhì)漏電電流與電壓同位相電介質(zhì)電導(dǎo)率（等效）復(fù)數(shù)電導(dǎo)率：復(fù)數(shù)介電常數(shù)：復(fù)電容：用描述總電流：與電壓同位相、能量損失與電壓的位相差為90度、無(wú)能量損失介質(zhì)損耗因子：損耗角電工學(xué)參數(shù)——電介質(zhì)品質(zhì)因數(shù)：希望值高

討論：（1）介電損耗的根源a、介質(zhì)漏電（介質(zhì)電導(dǎo)）；b、介質(zhì)極化的馳豫（2）影響介電損耗的因素除與材料有關(guān)外，還與電場(chǎng)頻率和強(qiáng)度及溫度有關(guān)a、電場(chǎng)頻率的影響頻率在色散區(qū)外：各種極化機(jī)制或能夠、或完全不能夠跟上電場(chǎng)的變化、極化能量損耗小頻率在色散區(qū)：頻率，Hz介電損耗處于色散區(qū)的極化機(jī)制不能完全跟上電場(chǎng)的變化，減小、該極化機(jī)制的極化阻力大、極化能量損耗大b、溫度的影響溫度較低：有極分子被凍結(jié)、取向不能實(shí)現(xiàn)、能量損耗小有極分子逐步被解凍、損耗增加隨溫度升高：溫度高：有極分子易動(dòng)、損耗減小溫度極高：介質(zhì)電導(dǎo)急劇增加、損耗劇增4、介電擊穿強(qiáng)度——電介質(zhì)能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度介電擊穿強(qiáng)度：介質(zhì)材料在擊穿強(qiáng)度以下是絕緣的，場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)該值時(shí)介質(zhì)瞬間導(dǎo)通、電流劇增，甚至融化、燒焦（以有極分子的取向極化為例）介電擊穿強(qiáng)度臨界場(chǎng)強(qiáng)：介質(zhì)抵抗絕緣性破壞的能力電子元件、電氣設(shè)備安全使用的重要指標(biāo)規(guī)律：弱電場(chǎng)時(shí)：一定，電阻率一定、與無(wú)關(guān)較強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)：場(chǎng)至激發(fā)可使雜質(zhì)能級(jí)上的電子進(jìn)入導(dǎo)帶、使雜質(zhì)離子（弱聯(lián)系離子）受激參與導(dǎo)電電場(chǎng)足夠強(qiáng)：受激發(fā)的電子和離子數(shù)劇增、運(yùn)動(dòng)速度增大，并通過(guò)碰撞使更多價(jià)帶電子進(jìn)入到導(dǎo)帶雪崩式連鎖導(dǎo)電、介質(zhì)擊穿影響規(guī)律：介質(zhì)擊穿強(qiáng)度受許多因素影響、變化很大應(yīng)用：影響因素：內(nèi)因：材料成份、缺陷、雜質(zhì)、加工工藝、厚度、表面狀態(tài)；外因：電場(chǎng)頻率和波形、環(huán)境條件及測(cè)試條件等介電擊穿強(qiáng)度不是材料的本征物理量，測(cè)量值對(duì)同種材料僅具有參考意義所有電介質(zhì)材料：希望小、擊穿強(qiáng)度高減小能耗、避免發(fā)熱、提高元件的使用壽命電容器介質(zhì)：要大雷達(dá)天線透波材料、電纜絕緣材料：要?。p小空間電荷效應(yīng)）泡沫或蜂窩狀的非極性聚合物是好的選材高頻注塑技術(shù):要求極性高分子的介電損耗大極性高分子可在高頻電場(chǎng)作用下在極短的時(shí)間內(nèi)加熱到流動(dòng)溫度如電磁感應(yīng)爐、熱是從材料內(nèi)部均勻產(chǎn)生第一節(jié)材料的電性質(zhì)六、材料的其它電性質(zhì)六、材料的其它電性質(zhì)（一）超導(dǎo)性1、概述處于正常態(tài)的材料具有電阻超導(dǎo)態(tài)：材料失去電阻的狀態(tài)超導(dǎo)性：在某一溫度下材料突然失去電阻的性質(zhì)臨界溫度1908：荷蘭的Onnes

獲得液氦（1K）；1911：Onnes發(fā)現(xiàn)水銀在4.2K附近電阻突然降到無(wú)法檢測(cè)的程度~1960：

鈮鈦、鈮錫、鈮鍺等20多種金屬、合金、化合物也具有超導(dǎo)性它們的超導(dǎo)臨界溫度：太低、難以實(shí)際應(yīng)用電阻率超導(dǎo)材料普通金屬材料溫度，K超導(dǎo)理論的發(fā)展：1957：J.Bardecen,L.N.CooperandJ.R.Schriefler

提出BSC理論具有相同能量、但自旋方向相反的電子組成的電子對(duì)，不受原子點(diǎn)陣、缺陷和熱擾動(dòng)的影響庫(kù)伯電子對(duì)理論：預(yù)言金屬和金屬間化合物的超導(dǎo)臨界溫度不超過(guò)30K1960~：