材料物理電介質(zhì)物理課件

4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述一、電介質(zhì)的定義電介質(zhì)的本質(zhì)特征是以極化的方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電場(chǎng)的作用和影響，介電常數(shù)是表征電介質(zhì)的最基本的參量。陶瓷的介電性能決定于感應(yīng)極化的產(chǎn)生及其隨時(shí)間的建立過(guò)程，而介電常數(shù)隨頻率和溫度的變化是決定電介質(zhì)應(yīng)用的重要因素。在討論電介質(zhì)的極化時(shí)，通常針對(duì)各向同性線性均勻電介質(zhì)在電場(chǎng)中的行為。所說(shuō)的均勻是指電介質(zhì)的性質(zhì)不隨空間坐標(biāo)發(fā)生變化，所說(shuō)的各向同性是指電介質(zhì)的參數(shù)不隨場(chǎng)量的方向發(fā)生變化，線性是指電介質(zhì)的參數(shù)不隨場(chǎng)量的數(shù)值發(fā)生變化。4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述4.材料的介電性

4.1電介質(zhì)概述二、電介質(zhì)材料高頻電容器陶瓷（即I類介質(zhì)陶瓷）和微波介質(zhì)陶瓷，通常都是線性電介質(zhì)。而鐵電體（鐵電陶瓷）則表現(xiàn)出電學(xué)非線性，通常稱為非線性電介質(zhì)。單晶材料為各向異性電介質(zhì)，陶瓷材料通常被視為各向同性電介質(zhì)，但經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷則表現(xiàn)出各向異性。各向異性電介質(zhì)通常用張量來(lái)描述其物理性質(zhì)。電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的極化程度用極化強(qiáng)度矢量P表示，極化強(qiáng)度P是電介質(zhì)單位體積內(nèi)的感生偶極矩，可表示為：極化強(qiáng)度的單位為庫(kù)侖/米2(C/m2)宏觀上無(wú)限小微觀上無(wú)限大的體積元每個(gè)分子的電偶極矩4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化電介質(zhì)物理電介質(zhì)的極化電介質(zhì)非極性電介質(zhì)：極性電介質(zhì):離子性電介質(zhì):單原子分子(He,Ne,Ar等)相同原子組成的分子(H2,N2,Cl2等)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多原子分子(CO2,CCl4,CnH2n+2等)弱極性電介質(zhì),μ0≤0.5D中極性電介質(zhì),0.5D<μ0<1.5D強(qiáng)極性電介質(zhì),μ0>1.5D石英，云母，金紅石型離子晶體玻璃陶瓷其他無(wú)機(jī)電介質(zhì)一般具有對(duì)稱的化學(xué)結(jié)構(gòu)，介電常數(shù)εr=2～5,體電阻率ρv=1014～1016Ω·m化學(xué)惰性，性能穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，介電常數(shù)εr=2.6～80,體電阻率高于非極性電介質(zhì)介電常數(shù)較大，較高的機(jī)械強(qiáng)度按正負(fù)電荷和分布特性可分為無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，由正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩為零的分子組成無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，由正負(fù)電荷中心不重合，具有固有偶極矩的分子組成通常由正負(fù)離子組成說(shuō)明：1.真空中P

=0，真空中無(wú)電介質(zhì)。2.導(dǎo)體內(nèi)P

=0，導(dǎo)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(shuō)明極化愈烈4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化閱讀書本上第126頁(yè)4.材料的介電性

4.2電介質(zhì)的極化不同電介質(zhì)因極化機(jī)制不同,通常表現(xiàn)出不同介電常數(shù).氣體:單原子,電子位移極化,r=1+n0/0極性分子氣體:=e+=e+02/3KT非極性液體和固體電介質(zhì),r=22.5極性液體電介質(zhì),=e+=e+02/3KT,r>2.5離子晶體一、基本介電關(guān)系在各向同性的線性電介質(zhì)中,極化強(qiáng)度P與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，且方向相同，即P=0E---電介質(zhì)的極化率，對(duì)于均勻電介質(zhì)是常數(shù)，對(duì)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(chǎng)極化的能力，是電介質(zhì)宏觀極化參數(shù)之一。4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)基本介電關(guān)系：電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度和極化強(qiáng)度之間的關(guān)系為:D=0E+P,適用于各類電介質(zhì)。D=0E+P＝0E＋0E＝（1＋）0E,令（1＋）0

＝0r=，則有D=E,僅適用于各向同性線性電介質(zhì)和r分別為電介質(zhì)的介電常數(shù)和相對(duì)介電常數(shù)。一、基本介電關(guān)系4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)二、介電常數(shù)在交變電場(chǎng)下，由于介質(zhì)的極化建立需要一定時(shí)間，在實(shí)際電介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生損耗，因此介電響應(yīng)需用復(fù)介電常數(shù)描述其中，表示損耗，稱為損耗因子，是表示電介質(zhì)損耗的特征參數(shù)，其中為電導(dǎo)率。在實(shí)際應(yīng)用中，通常用損耗角正切表示電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下的損耗，4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)三、介電弛豫弛豫過(guò)程：一個(gè)宏觀系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉菬崞胶鉅顟B(tài)，這個(gè)系統(tǒng)再?gòu)姆瞧胶鉅顟B(tài)過(guò)渡到新的熱平衡態(tài)的整個(gè)過(guò)程就稱為弛豫過(guò)程。弛豫過(guò)程實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)中微觀粒子由于相互作用而交換能量，最后達(dá)到穩(wěn)定分布的過(guò)程。弛豫過(guò)程的宏觀規(guī)律決定于系統(tǒng)中微觀粒子相互作用的性質(zhì)。因此，研究弛豫現(xiàn)象是獲得這些相互作用的信息的最有效途徑之一。4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)四、介電損耗電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的往往會(huì)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(chǎng)作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下的往往會(huì)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(chǎng)作用下，單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

∴在直流電壓作用下，介質(zhì)損耗決定于。在直流電壓作用下，介質(zhì)中存在載流子，有泄露電流電介質(zhì)的損耗交變電場(chǎng)作用下,除了泄漏電流，還有極化電流只用來(lái)描述就不夠了，必須要用其它量來(lái)描述介質(zhì)的品質(zhì)，即介質(zhì)損耗角正切（lossfactor）電介質(zhì)的損耗

是電壓U與電流I的相位差電介質(zhì)的損耗4.材料的介電性

4.3電介質(zhì)的物理參數(shù)電介質(zhì)的損耗固體電介質(zhì)的損耗

一、固體的無(wú)機(jī)電介質(zhì)無(wú)機(jī)晶體——較小，損耗主要來(lái)源于電導(dǎo)損耗。如食鹽Nacl晶體，石英，云母等。損耗主要來(lái)自電導(dǎo)電介質(zhì)的損耗3、陶瓷介質(zhì)①瓷——較常用絕緣子②玻璃③有機(jī)——復(fù)合的陶瓷：不均勻結(jié)構(gòu)，含三相①結(jié)晶相，②玻璃相，③氣隙1、富含玻璃態(tài)的陶瓷，大量玻璃相和少量微晶結(jié)構(gòu)，如普通絕緣瓷，大。

a玻璃相中離子電導(dǎo)損耗b結(jié)構(gòu)較送的多晶點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)引起的松弛損耗c氣隙含水一起的界面附加損耗2、不含或含有極少量玻璃相，由大量微晶晶粒組成，有Al2O3高頻瓷，MgSiO4為基礎(chǔ)的塊滑石瓷等，小。電介質(zhì)的損耗二、固體的有機(jī)電介質(zhì)非極性：含PE、PS、PTFE、天然石蠟、地蠟等極性：PVC、CF(甲酚-甲醛樹(shù)脂)、EP（環(huán)氧樹(shù)脂）用途：工頻和高頻絕緣材料4.材料的介電性

4.4電介質(zhì)的擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)——電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場(chǎng)強(qiáng)。擊穿電壓——電介質(zhì)（或電容器）擊穿時(shí)兩極板的電壓。電介質(zhì)的擊穿一般外電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當(dāng)其處在很強(qiáng)的外電場(chǎng)中時(shí)，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開(kāi)，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時(shí)，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。1概述電介質(zhì)的擊穿電介質(zhì)擊穿電介質(zhì)電導(dǎo)突然劇增，絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)這一躍變現(xiàn)象or介質(zhì)擊穿判據(jù)：在圖5-1中，j-E或I-U曲線上dI/dU=∞

Eb,Ub的意義和作用1電介質(zhì)的基本電性能參數(shù)之一，代表了電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持絕緣狀態(tài)的極限能力。2絕緣損壞是造成電力設(shè)備、電力系統(tǒng)事故的主要因素，約占70%。3高場(chǎng)強(qiáng)的應(yīng)用越來(lái)越多，如電子器件，電壓不高場(chǎng)強(qiáng)高，高場(chǎng)強(qiáng)問(wèn)題多。4擊穿過(guò)程中，有電流倍增效應(yīng)，以及光、熱、機(jī)械力的作用，在工程應(yīng)用技術(shù)中，有廣闊的應(yīng)用前景。如，超薄電視機(jī)就是氣體放電——引起熒光物質(zhì)發(fā)光。2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(chǎng)強(qiáng)較高擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)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(fù)絕緣性能

擊穿形式熱擊穿電擊穿不均勻介質(zhì)局部放電引起擊穿

固體電介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電壓作用時(shí)間的關(guān)系（一）熱擊穿由于電介質(zhì)內(nèi)部熱的不穩(wěn)定過(guò)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(qiáng)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(yīng)的電極裝置等嚴(yán)格控制的條件下，進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)所觀察到的一種擊穿現(xiàn)象。主要特性：

擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在5～15MV/cm范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可