介电常数-研究生-2010.ppt

1、介介 电电 特特 性性Oct.22,2010包包 定定 华华中山大学理工学院中山大学理工学院E-mail:1介电常数、介电损耗介电常数、介电损耗介电频谱、温谱介电频谱、温谱介电材料的主要物理性质及测量介电材料的主要物理性质及测量介电材料的应用简介介电材料的应用简介主要内容主要内容2介电常数、介电损耗介电常数、介电损耗3表征材料导电性的大小表征材料导电性的大小 电学性质电学性质1.1.电导率电导率4电学性质电学性质欧姆定律欧姆定律微分形式决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数 载流子载流子(n,个个/m3)：电子、空穴、正离子、负离子 载流子迁移率载流子迁移率(载流子在单位电场中的迁移速度)=

2、/E m2/(v.s)电流密度电流密度（单位时间通过单位截面积的电荷量）Jnqv 电导率电导率 =J/E=nqvE=nq5理解材料的电导现象，必须明确几个问题：理解材料的电导现象，必须明确几个问题：1）参与迁移的是哪种载流子有关载流子的类别2）载流子的数量有多大-有关载流子浓度、载流子的产生过程3）载流子迁移速度的大小-有关载流子输运过程电导机制：电导机制：1）离子电导：一些电介质、绝缘材料2）电子电导：半导体、导电、超导电学性质电学性质6电介质电容、介电常数电介质电容、介电常数真空电容真空电容 Co=Qo/V os/d电介质电容电介质电容 CQ/V=r os/d相对介电常数相对介电常数 r=

3、C/C0 电学性质电学性质介电常数是表征电介质的最基本的参量。是衡量电介质在电场下的极化行为或储存电荷能力的参数。2.2.介电常数介电常数7 在实际应用中，通常用损耗角正切表示电介质在交变电场下的损耗电学性质电学性质3.3.3.3.介电损耗介电损耗介电损耗介电损耗 电介质在电场作用下,电导和部分极化过程会将一部分电能转变为其它形式的能（如热能），即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。(由电导和极化过程引起)单位体积的介质损耗功率：84.4.电介质的击穿电介质的击穿-绝缘强度绝缘强度电介质的击穿电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，不一般外电场不太强

4、时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)breakdown)。外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为外加电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态的现象。导电状态的现象。电学性质电学性质9介电

5、强度：相应的临界电场强度介电强度：相应的临界电场强度热击穿热击穿热击穿的本质：热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。击穿电场强度击穿电场强度 E=V/hE=V/h V击穿电压；h 材料厚度击穿电压击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压10电击穿电击穿 固体介质电击穿的碰撞电离理论：固体介质电击穿的碰撞电离理论

6、：在在强强电电场场作作用用下下，固固体体导导带带中中可可能能因因冷冷或或热热发发射射存存在在一一些些电子，这些电子被加速，获得动能；电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；上上述述两两个个过过程程在在一一定定温温度度和和场场强强下下平平衡衡时时，固固体体介介质质有有稳稳定的电导；定的电导；当当电电子子从从电电场场中中获获得得能能量量大大于于传传递递给给晶晶格格振振动动能能量量时时，电电子动能越来越大；子动能越来越大；大大到到一一定定值值，电电子子与与晶晶格格振振动动的的相相互互作作用用导导致致电电离离产产生生新

7、新电电子子，使使电电子子数数目目迅迅速速增增加加，电电导导进进入入不不稳稳定定状状态态，发发生生击击穿穿。载流子数目迅速增加。载流子数目迅速增加。11电电介介质质：在在电电场场作作用用下下，能能建建立立极极化化的的物物质质。通通常常是是指指电电阻阻率率大大于于1010 cm的的一一类类在在电电场场中中以以感感应应而而并并非非传传导导的的方方式式呈现其电学性能的物质。呈现其电学性能的物质。电介质的主要性能电介质的主要性能：介电常数介电常数 介电损耗介电损耗 介电强度介电强度122 2 极化极化 polarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极在电场作用下，电介质中束缚着

8、的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象，称为性随电场方向改变的现象，称为电介质的极化电介质的极化。3 3 自发极化自发极化 spontaneous polarization 在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的在没有外电场作用时，晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为有序排列而产生的极化，称为自发极化自发极化。1 1 介电常数介电常数 dielectric constant表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数介电常数，用用表示，无量纲。表示，无量纲。13电介质在电场作用下的极化程度用极化强度矢量P P表示，极化强度P

9、P是电介质单位体积内的感生偶极矩，可表示为：极化强度的单位为库仑/米2(C/m2)V 宏观上无限小微宏观上无限小微观上无限大的体积观上无限大的体积元元pi i 每个分子的电偶每个分子的电偶极矩极矩P=limpiV电偶极矩电偶极矩14电偶极矩电偶极矩 ：=ql（单位：库仑单位：库仑 米）米）电偶极矩的方向：电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与外电场的方向一致。向与外电场的方向一致。介质的极化强度介质的极化强度P：P=/V单位介质体积内的电偶极单位介质体积内的电偶极矩总和。或束缚电荷的面密度。矩总和。或束缚电荷的面密度。-q+qlE偶极子偶极子15电介质

10、的极化材料可按其对外电场的响应方式区分为两类：导电材料：以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应 导体中的自由电荷自由电荷在电场作用下定向运动，形成传导电流。电介质：以感应的方式对外电场作出响应，即沿着电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，这类材料称为电介质，这种现象称为电介质的极化。在电介质中，原子、分子或离子中的正负电荷以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为束缚电荷束缚电荷。在电场作用下，正、负束缚电荷只能在微观尺度上作相对位移，不能作定向运动。正负束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电在外电场作用下场作用下,电介质内部感生偶极矩的现象，称为电介质的极化。电介质内部感生

11、偶极矩的现象，称为电介质的极化。16电介质分为非极性电介质和极性电介质两大类。非极性电介质由非极性分子组成，在无外电场时分子的正负电荷重心互相重合，不具有电偶极矩。只是在外电场作用下正负电荷出现相对位移，才出现电偶极矩。极性电介质由极性分子组成，即使在无外场时每个分子的正负电荷重心也不互相重合，具有固有电矩，它与铁电性有密切关系。17基本概念基本概念真空真空平行板电容器平行板电容器 介电材料介电材料电场 电位移 极化强度 金属板表面的(正的与负的)自由电荷 介电材料表面的束缚电荷 真空介电常数(8.8510-12As/Vm)相对介电常数 电容18电位移矢量位移矢量真空真空电位移位移材料极化材料

12、极化强度度极化率极化率相相对介介电 常数常数非极化非极化极化极化介介电性性质适用于：适用于：电机械机械热极化极化极化响应极化响应19极化类型极化类型电子极化电子极化 电子云与原子核的相对位移诱导电偶极电子云与原子核的相对位移诱导电偶极子子 离子极化离子极化 阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子阴、阳离子的相对位移诱导电偶极子 转向极化转向极化 固有电偶极子的指向在外场中转向固有电偶极子的指向在外场中转向 空间电荷极化空间电荷极化 在绝缘体界面移动载流子形成的极化在绝缘体界面移动载流子形成的极化电介质的极化20电子极化电子极化电子极化由电子云构成的负电电子极化由电子云构成的负电荷中心荷中心(-Ze(

13、-Ze0 0)在外电场中相对在外电场中相对于带正电的原子荷于带正电的原子荷(+Ze(+Ze0 0)的位的位移引起的移引起的电位移位移诱导偶极子诱导偶极子微观极化率微观极化率电极化率：电极化率：原子原子/分子密度分子密度21离子极化是由离子晶体中阳离子离子极化是由离子晶体中阳离子(Q)Q)与阴离子与阴离子(-Q)(-Q)的位移引起的的位移引起的电位移位移诱导偶极子偶极子微观极化率微观极化率电极化率：电极化率：原子原子/分子密度分子密度离子电荷离子电荷K Ki i描述了晶格的反描述了晶格的反作用力，作用力，K Ki i取决于取决于晶格参数晶格参数(离子间离子间距，晶体结构，束距，晶体结构，束缚能缚

14、能.).)离子极化离子极化22取向极化取向极化电偶极矩电偶极矩pipi分子电偶极矩分子电偶极矩pipi电极化强度电极化强度P P平均微观极化率平均微观极化率a aoror线性近似线性近似电极化率电极化率coror2324介电损耗的形式介电损耗的形式电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：1 1）电容电流：由样品的几何电容充电引起电流（位移电流）；电容电流：由样品的几何电容充电引起电流（位移电流）；2 2）介质极化的建立引起电流：与极化弛豫有关；介质极化的建立引起电流：与极化弛豫有关；3 3）介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。介质的电导（漏导）

15、造成的电流：与自由电荷有关。能量损耗：极化弛豫损耗、电导损耗、振动损耗能量损耗：极化弛豫损耗、电导损耗、振动损耗介电损耗介电损耗25损耗因子损耗因子在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压在真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压V=V=V Vo oe ei i t t，电容上的电流与外电压相差电容上的电流与外电压相差9090o o的位相。的位相。由由 Q=Q=C Co oV V V=Q/C V=Q/Co o=IdtIdt/C/Co o I=I=C Co odV/dtdV/dt电容上的电流：电容上的电流：I Io o=i i C Co oV V两极板间充入非极性完全绝缘的材料，两极板间充

16、入非极性完全绝缘的材料，电容上的电流：电容上的电流：I=iI=i CV=CV=i ir rC Co oV V=r rI Io o 26如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位相同的小电流（流（I=i CV+GV）通过通过Vi CV设电导设电导G仅由自由电荷产生，则仅由自由电荷产生，则:G=S/d,由于电容由于电容:C=l S/d则电流密度则电流密度:j=(il+)E=*E=il*E复电导率复电导率*的定义：的定义：*=il+复介电常数的定义：复介电常数的定义：l*=*/i=l-i /损耗角损耗角 的定义：的定义：tg=损耗项损耗项/电容项电容项=/l 得：得：=l tg （l tg 仅与介质有关）仅与介质有关）损耗因子：损耗因子：l tg （其大小作为绝缘材料的判据）其大小作为绝缘材料的判据）复电导率复电导率*的定义：的定义：*=il+复介电常数的定义：复介电常数的定义：l*=*/i=l-i /损耗角损耗角 的定义：的定义：tg=损耗项损耗项/电容项电容项=/l 得：得：=l tg （l tg 仅与介质有关）仅与介质有关