1、介電性能第1頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日介電材料，又稱電介質(zhì)，是電的絕緣材料，主要用于制造電容器。3.1電介質(zhì)及其極化1.電容，兩個(gè)鄰近導(dǎo)體加上電壓后具有儲(chǔ)存電荷的能力的度量。C(F)=Q(C)/V(V)表征的是電容器容納電荷的本領(lǐng)。第2頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日2.介電率及介電常數(shù)（1）材料因素，材料在電場(chǎng)中被極化的能力。（2）尺寸因素，d和A，平板間的距離和面積。如果介電介質(zhì)為真空，真空介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)：第3頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日3.電介質(zhì)的極化介電材料：放在平板電容器中增加電容的材料電

2、介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下能建立極化的物質(zhì)。感應(yīng)電荷（束縛電荷）：在真空平板電容器中嵌入一塊電解質(zhì)加入外電場(chǎng)時(shí)，在整機(jī)附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出的負(fù)電荷，負(fù)極板附件的介質(zhì)表面感應(yīng)出的正電荷。第4頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日- - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +- - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +束縛電荷形成新的電場(chǎng)，該電場(chǎng)與外加電場(chǎng)的方向相反-退極化場(chǎng)Ed。宏觀電場(chǎng)：E宏=E0+Ed第5頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。極化電

3、荷：電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下，在和外電場(chǎng)相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。這些電荷不能自由移動(dòng)，也不能離開，總保持中性。第6頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日4. 極化的相關(guān)物理量（1）電解質(zhì)的分類：極性分子電解質(zhì)和非極性分子電解質(zhì)-分子的正負(fù)電荷統(tǒng)計(jì)重心是否重合，是否有點(diǎn)偶極子？Q：所含電量；l：正負(fù)電荷重心距離電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，無(wú)極性分子的正負(fù)電荷重心重合將產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩。第7頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日據(jù)分子的電結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)可分為：極性分子電介質(zhì)：H2O;CO（有）非極性分子電介質(zhì)：CH4;He（2）電極化強(qiáng)度（P） ：

4、電解質(zhì)極化程度的量度（C/m2）.P=/V：電介質(zhì)中所有電偶極矩的矢量和V： 所有電偶極矩所在空間的體積資料表明，電極化強(qiáng)度和電介質(zhì)所處的實(shí)際有效電場(chǎng)成正比，即P=X00EX0：電極化率 0：真空介電常數(shù) E：電場(chǎng)強(qiáng)度第8頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日電解質(zhì)的極化機(jī)制，電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下的宏觀極化強(qiáng)度，實(shí)際上是電介質(zhì)微觀上各種極化機(jī)制共同作用的結(jié)果：電子極化、離子極化、電偶極子取向極化、空間電荷極化等。實(shí)際電場(chǎng)作用下的電極化強(qiáng)度P可表示為克勞修斯莫索堤方程:即電介質(zhì)在所有偶極矩的總和，即：P=NiiNi：第i種偶極子數(shù)目；i：第i種偶極子平均偶極矩第9頁(yè)，共33

5、頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日電介質(zhì)在電場(chǎng)中的破壞1.介質(zhì)的擊穿：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界值時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，該現(xiàn)象成為介電強(qiáng)度的破壞，或介質(zhì)的擊穿。2.擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度：介質(zhì)擊穿時(shí)，相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱為介質(zhì)強(qiáng)度，或擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。注，介電強(qiáng)度，一種介電材料在不發(fā)生擊穿或者放電的情況下承受的最大電場(chǎng)。介電強(qiáng)度依賴于材料的厚度，厚度減小，介電強(qiáng)度增加；介電強(qiáng)度還與環(huán)境溫度和氣氛、電極形狀、材料表面狀態(tài)、電場(chǎng)頻率和波形、材料成分和孔隙、晶體各向異性、非晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。第10頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日電擊穿1.電場(chǎng)強(qiáng)度高時(shí)會(huì)形成電流脈沖發(fā)

6、生擊穿，由此產(chǎn)生點(diǎn)坑、孔洞和通道并連通；2.擊穿發(fā)生于材料的表面，通過(guò)表面水分或污染雜質(zhì)增加了擊穿的可能性；3.電擊穿是一種集體現(xiàn)象，能量通過(guò)其它粒子（例如，已經(jīng)從電場(chǎng)中獲得了足夠能量的電子和離子）傳送到被擊穿的組分中的原理或分子上。第11頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日壓電性電介質(zhì)作為材料，主要用于電子工程中的絕緣材料、電容器材料和封裝材料應(yīng)用的是電介質(zhì)的共性性質(zhì)。電介質(zhì)還可用于傳感器、光學(xué)、聲學(xué)、紅外探測(cè)等領(lǐng)域電介質(zhì)的三種特殊性質(zhì)，即壓電性、熱釋電性、鐵電性。第12頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日正壓電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1880年，Piere兄弟實(shí)

7、驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)-石英單晶體在一定方向上加力，則在力的垂直方向出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物體壓電體。第13頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日正壓電效應(yīng)：是機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程即當(dāng)晶體受到一定的機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷。作用力反向時(shí)，表面電荷性質(zhì)亦反號(hào)。電荷密度大小與所加應(yīng)力的大小成線性關(guān)系。-用于傳感測(cè)力第14頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日逆壓電效應(yīng):當(dāng)晶體在外加電場(chǎng)作用下，晶體的某些方向產(chǎn)生形變或諧振現(xiàn)象，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。電致伸縮：任何電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，會(huì)發(fā)生尺寸變化，產(chǎn)生應(yīng)變。其大小

8、與所加電壓平方成正比。如，電致伸縮陶瓷（鋅鈮酸鉛陶瓷）對(duì)于一般電介質(zhì)，電致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)變實(shí)在太小，可以忽略第15頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日石英晶體的化學(xué)組成是SiO2，3個(gè)Si原子和6個(gè)O原子位于晶包的格點(diǎn)上。Si4+ ， O2-。壓電性產(chǎn)生的原因第16頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日當(dāng)材料受到壓縮應(yīng)力的作用時(shí)，A面Si4+擠入兩個(gè)O2-間， B面O2- 擠入兩個(gè)Si4+間。因此，A面出現(xiàn)負(fù)電荷，B面出現(xiàn)正電荷。-縱向壓電效應(yīng)第17頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日當(dāng)材料受到壓縮應(yīng)力的作用時(shí)，C、D側(cè)的硅離

9、子和氧離子都向內(nèi)移動(dòng)同樣的距離，因此，C、D面不出現(xiàn)電荷，A面出現(xiàn)正電荷，B面出現(xiàn)負(fù)電荷。-橫向壓電效應(yīng)CD第18頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日壓電效應(yīng)與晶體的對(duì)稱性有關(guān)。壓電效應(yīng)的本質(zhì)是對(duì)晶體施加應(yīng)力時(shí)，改變了晶體內(nèi)的電極化。因此電極化只能在不具有對(duì)稱中心的晶體內(nèi)才可能發(fā)生。只有結(jié)構(gòu)上沒(méi)有對(duì)稱中心，才有可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。而且必須是：電介質(zhì)（或至少具有半導(dǎo)體性質(zhì)）；其結(jié)構(gòu)必須帶正負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)離子或離子團(tuán)存在（離子晶體或離子團(tuán)組成的分子晶體）常用：石英，鈦酸鋇，鈦酸鉛，鈦酸鉬等。第19頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日熱釋電性熱釋電性（熱電性）

10、：由于溫度的變化引起材料電極化強(qiáng)度變化的性質(zhì)。熱釋電現(xiàn)象坤特法顯示電氣石的熱釋電性均勻加熱電氣石（Na，Ca）（Mg，F(xiàn)e）3B3Al6Si6（O，OH，F(xiàn)）31，同時(shí)向電氣石噴射硫磺粉和鉛丹粉。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電氣石的一面呈現(xiàn)黃色，另一面呈現(xiàn)紅色。第20頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日熱釋電現(xiàn)象坤特法顯示電氣石的熱釋電性原因：電氣石屬于三方晶系，具有唯一的極軸。沒(méi)有受熱時(shí)，電氣石的自發(fā)極化電偶極矩完全被吸附的空氣中的電荷屏蔽掉了。受熱后，由于溫度的變化，自發(fā)極化改變，屏蔽電荷失去平衡。晶體正電荷一面吸引硫磺粉呈黃色，負(fù)電荷側(cè)吸引鉛丹粉呈紅色極軸：即晶體唯一的軸，該軸的兩側(cè)

11、往往具有不同的性質(zhì)第21頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日熱釋電性產(chǎn)生的條件：晶體，一定是具有自發(fā)極化的晶體，在結(jié)構(gòu)上據(jù)有極軸；極軸，晶體唯一的軸，二端往往具有不同性質(zhì)，且采用對(duì)稱操作不能與其它方向重合。有熱釋電效應(yīng)一定有壓電效應(yīng)，反之不然。第22頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日提問(wèn):為什么說(shuō)具有對(duì)稱中心的物體不可能具有熱釋電性？從壓電性和熱釋電性產(chǎn)生的條件知：對(duì)于具有對(duì)稱中心的物體，當(dāng)壓電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，機(jī)械應(yīng)力引起正負(fù)電荷的重心產(chǎn)生相對(duì)位移，一般來(lái)說(shuō)不同方向上的位移大小是不相等的，因而出現(xiàn)電偶極矩；而當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體受熱膨脹在各個(gè)方向同時(shí)發(fā)生

12、，在對(duì)稱方向必然有相同的膨脹系數(shù)，即對(duì)稱方向上引起正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移也是相等的，即沒(méi)有電偶極矩的改變，因此極化強(qiáng)度沒(méi)變，所以沒(méi)有熱釋電性。第23頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日壓電性和熱釋電性是材料的重要性質(zhì)：1.一些無(wú)對(duì)稱中心的物體可具有壓電性2.具有極軸和自發(fā)極化的晶體介質(zhì)具有熱釋電性。第24頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日鐵電性電滯回線，羅息鹽（酒石酸鉀鈉NaKC4H4O64H2O）的極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)的變化如右圖所示。鐵電體，具有電滯回線性質(zhì)的晶體。（晶體中并不含有鐵）第25頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期

13、日由于電滯回線與鐵磁體的磁滯回線相似，因此，把具有這種晶體稱為鐵電體。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把羅息鹽加熱到24，電滯回線消失-鐵電體具有自發(fā)極化現(xiàn)象，即電偶極矩在外電場(chǎng)作用下可以轉(zhuǎn)向，甚至反向。在同一電場(chǎng)強(qiáng)度下，極化強(qiáng)度可以有雙值。 存在電疇第26頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日電疇，鐵電體自發(fā)極化時(shí)能量升高，狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分成許多小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域電偶極子沿同一方向，不同小區(qū)域的電偶極子方向不同，每個(gè)小區(qū)域?yàn)殡姰?。疇壁，疇之間的邊界地區(qū)，決定疇壁厚度的因素是各種能量平衡的結(jié)果。鐵電體在外電場(chǎng)作用下，趨向于與外電場(chǎng)方向一致，稱為疇轉(zhuǎn)向。通過(guò)新疇的出現(xiàn)，發(fā)展和疇壁移動(dòng)來(lái)實(shí)

14、現(xiàn)的；外加電鏟去除后，小部分電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大部分停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上，為剩余極化。第27頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日BaTiO3晶體電疇結(jié)構(gòu)示意圖電矩反平行方向1800疇壁900疇壁斜方晶系里有600和1200疇，菱形晶系里有710和1090疇第28頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日電滯回線是鐵電體的鐵電疇在外電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述。電疇運(yùn)動(dòng)是通過(guò)新疇的出現(xiàn)、發(fā)展和疇壁移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在外電場(chǎng)作用下，鐵電疇總是趨向于與外電場(chǎng)方向一致疇轉(zhuǎn)向；1800疇主要是通過(guò)尖劈型新疇發(fā)展來(lái)的，900疇主要是疇壁側(cè)向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。第29頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，晶體總電矩為零。加上外加電場(chǎng)時(shí)，沿電場(chǎng)方向的疇擴(kuò)展變大，與電場(chǎng)方向的疇變小，因此，總的極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)增加而增加，表現(xiàn)為圖中的OA段。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的繼續(xù)增大，晶體電疇都趨向于電場(chǎng)方向，類似于形成一個(gè)單疇，表現(xiàn)為圖中的OB段。繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，表現(xiàn)為BC段。第30頁(yè)，共33頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)59分，星期日