關(guān)于電介質(zhì)及其介電特性基本介電現(xiàn)象1第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五21.電介質(zhì)在電場作用下的主要特性電導(dǎo)、極化、損耗、擊穿2.

電介質(zhì)的功能特性

電—機(jī)械、電—熱、電—光電—壓敏、PTC主要內(nèi)容：電介質(zhì)的基本介電現(xiàn)象第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五31.電介質(zhì)在電場作用下的主要特性電介質(zhì)：在電場作用下能建立極化的一切物質(zhì)。存在較強(qiáng)電場并可發(fā)生明顯極化現(xiàn)象的材料。電力線能透過的物質(zhì)（法拉第1839年）。電介質(zhì)物理：是研究宏觀物質(zhì)中電位移運(yùn)動基本規(guī)律的科學(xué)。主要研究對象是電介質(zhì)中電荷的運(yùn)動遷移現(xiàn)象以及由此產(chǎn)生的各種效應(yīng)。主要特性：電介質(zhì)在電場作用下最主要的電特性是極化和電導(dǎo)，以及在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的損耗與擊穿現(xiàn)象。

電介質(zhì)在電場作用下的主要特性第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五4電介質(zhì)在電場作用下的主要特性特點(diǎn)：在直流電壓作用下有較穩(wěn)定的電流通過。表征：用電阻率ρv或電導(dǎo)率γ來表征材料的電導(dǎo)特性。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五5電介質(zhì)在電場作用下的主要特性由此可得：R—電阻，單位為歐姆（）；G—電導(dǎo)，（S）ρv—體電阻率，（·m）；γ—體電導(dǎo)率，（S/m）U—電壓（V）；E—電場強(qiáng)度（V/m)；j—電流密度，

(A/m2)第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五6

電導(dǎo)特性是任何一種材料（無論導(dǎo)體、半導(dǎo)體、還是電介質(zhì)）都具有的電學(xué)性質(zhì)，并非電介質(zhì)所特有。但不同材料在電導(dǎo)率的大小上卻相差很遠(yuǎn)：例如：一般導(dǎo)體γ=109（S/m）絕緣性能良好的電介質(zhì)γ=10-18（S/m）相差1027倍。導(dǎo)電機(jī)理有明顯區(qū)別，因此對電介質(zhì)電導(dǎo)需作專門的討論。電介質(zhì)在電場作用下的主要特性為什么？第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五72介質(zhì)極化定義：極化是電介質(zhì)中束縛在分子內(nèi)部或局部空間不能完全自由運(yùn)動的電荷，在電場作用下產(chǎn)生局部的遷移而形成感應(yīng)偶極矩的物理現(xiàn)象。是電介質(zhì)特有的性質(zhì)。電介質(zhì)在電場作用下的主要特性電介質(zhì)：在電場作用下能產(chǎn)生極化現(xiàn)象的材料。表征：單位體積電介質(zhì)中形成的總感應(yīng)電矩——極化強(qiáng)度。

在線性介質(zhì)中：

x——介質(zhì)極化系數(shù)，0——真空介電常數(shù)，8.854×10-12F/m

第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五8電介質(zhì)在電場作用下的主要特性

在工程技術(shù)中，通常采用比電容率（或相對介電常數(shù)）來作為介質(zhì)極化的量度。比電容率是以介質(zhì)充入真空電容器后，此電容器的電容量（C）與原真空電容器的電容量（C0）之比來計(jì)量。r——相對介電常數(shù)，它與0的乘積，定義為介質(zhì)的介電常數(shù)由電工學(xué)可得：

第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五9

體電阻率（v）和相對介電常數(shù)（r）是表征材料介電特性的最主要參數(shù)。它們在線性材料中是與電場強(qiáng)度無關(guān)的常數(shù)，當(dāng)電場頻率改變時也會改變；在非線性材料以及在強(qiáng)電場下則還與電場強(qiáng)度有關(guān)。因此：r為溫度、電場頻率、電場強(qiáng)度的函數(shù)；v則為溫度、電場強(qiáng)度的函數(shù)。

電介質(zhì)在電場作用下的主要特性第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五101.3介質(zhì)損耗

在交變電壓下，由于極化，使介質(zhì)中

存在電容電流和電導(dǎo)電流。對電容器而言：希望電容電流大，而引起損耗的電導(dǎo)電流小。從而引入一個新的介質(zhì)物理參數(shù)——介質(zhì)損耗角正切tan。

電介質(zhì)在電場作用下的主要特性第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五11定義：電介質(zhì)在電場作用下的主要特性

只有電導(dǎo)電流損耗時，tan與成倒數(shù)關(guān)系。極性介質(zhì)的tan與是有峰值的曲線關(guān)系，極性介質(zhì)的tan值比非極性介質(zhì)的tan值大；而且tan隨的變化呈非倒數(shù)式關(guān)系，這是由于介質(zhì)極化滯后所形成的損耗而引起。

因此，研究介質(zhì)損耗的重點(diǎn)就是研究介質(zhì)極化形成的動態(tài)過程中產(chǎn)生的損耗。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五12主要判據(jù)：

電介質(zhì)在電場作用下的主要特性第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五13在均勻電場下：如介質(zhì)厚度d，介質(zhì)擊穿電壓UB

電介質(zhì)在電場作用下的主要特性EB——介質(zhì)擊穿場強(qiáng)，描述電介質(zhì)耐電壓特性的重要物理參數(shù)，它與溫度、電場形式有關(guān)。

第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五14r，v，tan和EB作為描述絕緣介質(zhì)基本特性的四大物理參數(shù)。研究四大參數(shù)與電介質(zhì)材料的組成、結(jié)構(gòu)、含雜等的關(guān)系，以及溫度、壓力、電場性質(zhì)（頻率、波形等）的影響。研究成果廣泛用于工程領(lǐng)域——成為“電介質(zhì)工程”。電介質(zhì)在電場作用下的主要特性第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五15電介質(zhì)在電場作用下的主要特性電容器的電儲能密度W與和E2呈正比提高儲能密度可采用高ε和高E的電介質(zhì)材料推動了高介電常數(shù)低介質(zhì)損耗材料的研究和發(fā)展而提高介質(zhì)的耐電強(qiáng)度則是作為電介質(zhì)絕緣材料的一個最主要的共性問題。高功率脈沖電容儲能技術(shù)為例：第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五16電介質(zhì)在電場作用下的主要特性涉及的科學(xué)與技術(shù)問題：

高儲能介質(zhì)的介電性能——極化、弛豫機(jī)理高耐電強(qiáng)度——高介電常數(shù)介質(zhì)的擊穿特性結(jié)構(gòu)優(yōu)化——提高電容器有效儲能體積放電特性——快速、大容量、消除電感高可靠性——穩(wěn)定性與壽命性能評價——測、試、分析技術(shù)第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五17電介質(zhì)的功能特性2.

電介質(zhì)的功能特性

電介質(zhì)除了具有上述純粹的電學(xué)特性之外，在其電性和力學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能之間還存在密切相關(guān)的功能轉(zhuǎn)換特性。如：介質(zhì)在電場作用下的電致伸縮效應(yīng)、電壓敏效應(yīng)、場致發(fā)光效應(yīng)和電熱效應(yīng)等，反映了介質(zhì)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、光能、熱能的功能效應(yīng)。而：介質(zhì)在力場作用下發(fā)生的壓電效應(yīng)、在熱場作用下產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)、在光照下引起的光電效應(yīng)、導(dǎo)電性突變的PTC效應(yīng)等，則為相反的功能轉(zhuǎn)換特性。這些特性的物理本質(zhì)亦往往與介質(zhì)的電導(dǎo)和極化現(xiàn)象有關(guān)。因此，對介質(zhì)的介電和功能特性要有全面的了解。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五18電介質(zhì)的功能特性2.1電-機(jī)械特性

當(dāng)介質(zhì)分子在電場作用下發(fā)生彈性位移極化時，介質(zhì)會在電場的方向有一定的伸長。產(chǎn)生機(jī)械變形X，與電場強(qiáng)度的平方成正比：

所有電介質(zhì)都存在的一種電-機(jī)械效應(yīng)。與電場的指向無關(guān)，X、x均大于零，稱為伸長效應(yīng)。鐵電體中此效應(yīng)較明顯，一般介質(zhì)在弱電場中不明顯。

x——電致伸縮常數(shù)第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五19電介質(zhì)的功能特性

在具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的固體電介質(zhì)中，除了上述的平方效應(yīng)以外還觀察到一種變形正比于電場的線性效應(yīng)，即：d——壓電模數(shù)

當(dāng)介質(zhì)上電壓極性改變，即E變號時，機(jī)械形變X的符號亦將變號，電場可引起固體伸長或壓縮。這一類介質(zhì)在弱電場下此效應(yīng)明顯，不僅在電場作用下能引起機(jī)械變形，而且在力場作用下亦能引起介質(zhì)極化，使介質(zhì)表面帶電——“壓電效應(yīng)（Piezoelectriceffect）”。

第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五20電介質(zhì)的功能特性壓電效應(yīng)可以把力學(xué)信息轉(zhuǎn)化為電信息，存在于非對稱結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì)中，故有：線性效應(yīng)一般要比平方效應(yīng)顯著非中心對稱電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力的作用下因壓電效應(yīng)，形成極化，其極化強(qiáng)度與應(yīng)變成正比：

電-機(jī)械平方效應(yīng)則無逆向的機(jī)械-電效應(yīng)。在中心對稱結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，不管怎樣的機(jī)械應(yīng)力或變形都不能引起極化。

e——壓電常數(shù)第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五21電介質(zhì)的功能特性2.2電-熱效應(yīng)

介質(zhì)在電場作用下由于電導(dǎo)電流和極化吸收電流會引起發(fā)熱，其發(fā)熱量一般與E

2成正比：

此時，電能變?yōu)闊崮苁遣豢赡娴?，稱為電介質(zhì)損耗，特別在高頻交流電場下，此發(fā)熱可變得相當(dāng)明顯。

第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五22電介質(zhì)的功能特性

在一些熱釋電晶體中，不僅有平方關(guān)系的電熱效應(yīng)，還同時存在線性的熱電效應(yīng)：此為可逆效應(yīng)。即在此種晶體加熱時往往有電荷釋放出，故稱為熱釋電效應(yīng)。溫度對介質(zhì)的電性能有明顯影響，其影響規(guī)律往往成為探索介質(zhì)物理機(jī)理的主要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

——電熱常數(shù)第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五23電介質(zhì)的功能特性2.3電-光效應(yīng)

光本質(zhì)上是一種極高頻率電磁波，當(dāng)光波穿過電介質(zhì)時，同樣會有介質(zhì)極化和能量損耗（介質(zhì)吸收）的現(xiàn)象。光頻極化常用光折射率n來表征。光折射率n是光在真空中的速度c與在介質(zhì)中的速度之比（n=c/

）。根據(jù)麥克斯韋爾電磁波方程有：

光具有粒子性，一定頻率的光子具有能量h，它與介質(zhì)相互作用將能引起介質(zhì)中載流子密度和電導(dǎo)率的變化。光與介質(zhì)的極化和電導(dǎo)特性都有著密切的關(guān)系。非鐵磁性介質(zhì)中r1,故n2=r第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五24電介質(zhì)的功能特性

光照引起電介質(zhì)電導(dǎo)激烈增加的現(xiàn)象是最廣泛的一種光電效應(yīng)——光電導(dǎo)效應(yīng)（Photoconductioneffect）。這是由于光子進(jìn)入介質(zhì)引起介質(zhì)中束縛電子的活化，產(chǎn)生新的導(dǎo)電載流子，使介質(zhì)的電導(dǎo)率增大。對于禁帶寬度不寬的電介質(zhì)和半導(dǎo)體，當(dāng)光子能量h>Eg（禁帶寬度）時,能引起光電動勢——光伏打效應(yīng)（Photovoltaiceffect）。此時光能轉(zhuǎn)化為電能，但這種轉(zhuǎn)化效率在半導(dǎo)體中較強(qiáng)，如在硅和砷化鎵中。現(xiàn)在，硅材料已成為一種應(yīng)用最廣泛的太陽能電池材料。某些電介質(zhì)在強(qiáng)光照射下，亦能觀察到介電系數(shù)的變化。其本質(zhì)是光引起晶體中產(chǎn)生了激發(fā)態(tài)的激子，而導(dǎo)致有附加的介質(zhì)極化電矩，從而改變了r值。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五25電介質(zhì)的功能特性

在強(qiáng)電場下介質(zhì)中最重要的電光效應(yīng)是光折射率隨電場強(qiáng)度的變化：

此效應(yīng)可以是非線性的或線性的。

平方式效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)（Kerreffect），在任何電介質(zhì)中都能觀察到。線性電光效應(yīng)稱為普克爾效應(yīng)（PockelsEffect），只在光各向異性的晶體和液體中存在。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五26電介質(zhì)的功能特性

機(jī)械應(yīng)力和光同時作用在固體介質(zhì)中，所觀察到光折射率的改變，稱為壓光效應(yīng)。由于晶體不均勻變形引起的光折射率改變，上述電光效應(yīng)的本質(zhì)與此相似，電場引起介質(zhì)極化，同時產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致光折射率的變化。當(dāng)聲頻電場和激光同時作用在某些晶體介質(zhì)上時，則聲頻電場的變化可對激光的傳播方向加以控制。這種聲光效應(yīng)已在近代電子技術(shù)中得到應(yīng)用。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五27電介質(zhì)的功能特性2.4電壓敏效應(yīng)

具有晶界的復(fù)合材料，如ZnO、SiC陶瓷等，其電導(dǎo)電流密度隨電場強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，在較高的電場強(qiáng)度下發(fā)生電流躍增現(xiàn)象——電壓敏效應(yīng)。

此類材料可做成各種電壓限制器件。

第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五28電介質(zhì)的功能特性ZnO電壓敏陶瓷應(yīng)用為例：電流為電子性電導(dǎo)產(chǎn)生。低壓下具有歐姆特性，隨溫度呈指數(shù)上升，導(dǎo)電機(jī)理為電子熱躍遷電導(dǎo)：

中壓下為熱激發(fā)電子電導(dǎo)；高壓下則為隧道電子電導(dǎo)，電流密度與電場呈指數(shù)式關(guān)系：第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期五29電介質(zhì)的功能特性應(yīng)用：在工程上用作過電壓保護(hù)元件——功能介質(zhì)器件。表征：殘壓比（K）是其重要的特性參數(shù)之