1、These PowerPoint color diagrams can only be used by instructors if the 3rd Edition has been adopted for his/her course. Permission is given to individuals who have purchased a copy of the third edition with CD-ROM Electronic Materials and Devices to use these slides in seminar, symposium and confere

2、nce presentations provided that the book title, author and McGraw-Hill are displayed under each diagram.,第七章：電介質(zhì)材料和絕緣,電工中一般認(rèn)為電阻率超過(guò) 10歐厘米的物質(zhì)便歸于電介質(zhì)。電介質(zhì)的帶電粒子是被原子、分子的內(nèi)力或分子間的力緊密束縛著，因此這些粒子的電荷為束縛電荷。在外電場(chǎng)作用下，這些電荷也只能在微觀范圍內(nèi)移動(dòng)，產(chǎn)生極化。在靜電場(chǎng)中，電介質(zhì)內(nèi)部可以存在電場(chǎng)，這是電介質(zhì)與導(dǎo)體的基本區(qū)別。不導(dǎo)電的物質(zhì)，如空氣、玻璃、云母片、膠木等都可稱為電介質(zhì)。,7.1 物質(zhì)的極化和相對(duì)電容率,將電

3、介質(zhì)置于一平行板電容器中能夠以 k 介電常數(shù)的比例提升其電容： 當(dāng)中0是真空電容率， A 為電容器平行板投影重疊的有效面積， d 為兩塊平行板之間的距離。 此情況的發(fā)生是由于電場(chǎng)將電介質(zhì)粒子極化，產(chǎn)生與電容器電場(chǎng)成反向（反平行）的電荷群于平行板表面上，電荷在平行板間產(chǎn)生一比沒(méi)有電介質(zhì)時(shí)更弱的電場(chǎng)，從而減少電勢(shì)。依照相反的想法，這說(shuō)明了在有電介質(zhì)的情況下，電勢(shì)的存在令電容器積存更多電荷。,Fig 7.1,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 200

4、5),外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)顯示電性的現(xiàn)象。在電場(chǎng)的影響下，物質(zhì)中含有可移動(dòng)宏觀距離的電荷叫做自由電荷；如果電荷被緊密地束縛在局域位置上，不能作宏觀距離移動(dòng)，只能在原子范圍內(nèi)活動(dòng)，這種電荷叫做束縛電荷。理想的絕緣介質(zhì)內(nèi)部沒(méi)有自由電荷，實(shí)際的電介質(zhì)內(nèi)部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質(zhì)漏電的原因。 一般情形下，未經(jīng)電場(chǎng)作用的電介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)束縛電荷平均說(shuō)來(lái)處處抵消，宏觀上并不顯示電性。在外電場(chǎng)的作用下，束縛電荷的局部移動(dòng)導(dǎo)致宏觀上顯示出電性,在電介質(zhì)的表面和內(nèi)部不均勻的地方出現(xiàn)電荷,這種現(xiàn)象稱為極化，出現(xiàn)的電荷稱為極化電荷。這些極化電荷改變?cè)瓉?lái)的電場(chǎng)。充滿電介質(zhì)的電容器比真空電容器的電容大就是

5、由于電介質(zhì)的極化作用。,電介質(zhì)的極化,電介質(zhì)的極化機(jī)制之一電子極化: 電子極化，是在電場(chǎng)作用下原子核與負(fù)電子云之間相對(duì)位移，它們的等效中心不再重合而分開一定的距離l形成電偶極矩peel(l由負(fù)電中心指向正電中心,e是電荷量,見電偶極子)。當(dāng)電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),電偶極矩pe同有效電場(chǎng)成正比,，pe =eE,式中e稱為電子極化率。,Fig 7.2,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),Fig 7.3,From Principles of Ele

6、ctronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),在電子極化中，原子的正負(fù)電荷中心被分開，也如同連在彈簧上的質(zhì)量塊被拉伸后放開一樣，會(huì)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)；同樣也存在一個(gè)固有振動(dòng)頻率，被稱為電子極化共振頻率。 見P484例7.1,Fig 7.4,From Principles of Electronic

7、 Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),7.1.3 極化強(qiáng)度矢量： 為表征電介質(zhì)的極化狀態(tài)，我們引入極化強(qiáng)度這個(gè)物理量，定義為，在電介質(zhì)的單位體積中分子電矩的矢量和，以p表示，即,式中 是在電介質(zhì)體元 dt內(nèi)分子電矩的矢量和。在國(guó)際單位制中，極化強(qiáng)度的單位是cm-2(庫(kù)侖/米2)。如果電介質(zhì)內(nèi)各處極化強(qiáng)度的大小和方向都相同，就稱為均勻極化。均勻極化要求電介質(zhì)也是均勻的。,極化電荷是由于電介質(zhì)極化所產(chǎn)生的，因此極化強(qiáng)度與極化電荷之間必定存在某種關(guān)系?？梢宰C明，對(duì)于均勻極化的情形，極化電荷只出現(xiàn)在

8、電介質(zhì)的表面上。 極化介質(zhì)表面單位面積的電荷等于極化是兩垂直于表面的分量，Pn=P，方向由負(fù)極大指向正極大。,Fig 7.5,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),Fig 7.6,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),極化介質(zhì)表面單位面積的電荷等于極化矢量垂直于表面的分量，P

9、n=P，方向由負(fù)極大指向正極大。,退極化場(chǎng),電介質(zhì)在外場(chǎng)中的性質(zhì)相當(dāng)于在真 空中有適當(dāng)?shù)氖`電荷體密度分布 在其內(nèi)部。因此可用 和 的分布 來(lái)代替電介質(zhì)產(chǎn)生的電場(chǎng)。,在外電場(chǎng) 中，介質(zhì)極化產(chǎn)生的束縛 電荷，在其周圍無(wú)論介質(zhì)內(nèi)部還是外 部都產(chǎn)生附加電場(chǎng) 稱為退極化場(chǎng)。 任一點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)為：,退極化場(chǎng),實(shí)驗(yàn)表明:,稱為電極化率或極化率 polarizability 在各向同性線性電介質(zhì)中它是一個(gè)純數(shù)。,是自由電荷產(chǎn)生的電場(chǎng),極化電荷產(chǎn)生的退極化場(chǎng) depolarization field,是電介質(zhì)中的總電場(chǎng)強(qiáng)度。,一、電位移矢量, 定義：,電位移矢量 electric displacement,自由

10、電荷,束縛電荷,根據(jù)介質(zhì)極化和 真空中高斯定律,復(fù)習(xí)大學(xué)物理中的概念,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),7.1.4 局域場(chǎng)和克勞修斯-莫索提方程,一個(gè)分子的極化性 定義為 其中，P是分子的感應(yīng)電偶極矩，E是作用于分子的電場(chǎng)。 介電質(zhì)的

11、電極化強(qiáng)度定義為總電偶極矩每單位面積： ； 其中，P(r)是電極化強(qiáng)度，r是檢驗(yàn)位置，Nj 、Pj 分別是分子 j 的數(shù)量每單位面積與電偶極矩。 總合介電質(zhì)內(nèi)每一種分子的貢獻(xiàn)，就可以計(jì)算出介電質(zhì)的電極化強(qiáng)度。將極化性的定義式代入，可以得到,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),當(dāng)計(jì)算這方程式時(shí)，必需先知道在分子位置的電場(chǎng)，稱為“局域電場(chǎng)” Eloc 。介電質(zhì)內(nèi)部的微觀電場(chǎng)，從一個(gè)位置到另外位置，其變化可能會(huì)相當(dāng)劇烈，在電子或質(zhì)子附近，

12、電場(chǎng)很大，距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)，電場(chǎng)呈平方反比減弱。所以，很難計(jì)算這么復(fù)雜的電場(chǎng)的物理行為。幸運(yùn)地是，對(duì)于大多數(shù)計(jì)算，并不需要這么詳細(xì)的描述。所以，只要選擇一個(gè)足夠大的區(qū)域（例如，體積為 V 、內(nèi)中含有上千個(gè)分子的圓球體 ）來(lái)計(jì)算微觀電場(chǎng) Emic 的平均值，稱為“巨觀電場(chǎng)” Emac ，就可以足夠準(zhǔn)確地計(jì)算出巨觀物理行為：,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),對(duì)于稀薄介電質(zhì)，分子與分子之間的距離相隔很遠(yuǎn)，鄰近分子的貢獻(xiàn)很小，局域電場(chǎng)可以

13、近似為巨觀電場(chǎng)Emac ：,但對(duì)于致密介電質(zhì)，分子與分子之間的距離相隔很近，鄰近分子的貢獻(xiàn)很大，必需將鄰近分子的貢獻(xiàn) E1 納入考慮量：,對(duì)于立方晶系結(jié)構(gòu)的晶體或各向同性的介電質(zhì)，由于高度的對(duì)稱性，鄰近分子的貢獻(xiàn)E1 為：,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),電極化率與極化性的關(guān)系為：,稀薄物質(zhì),一般均 勻物質(zhì),From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Ed

14、ition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),一般均勻物質(zhì),克勞修斯-莫索提方程,（Clausius-Mossotti equation）表達(dá)了線性介電質(zhì)的極化性和相對(duì)電容率之間的關(guān)系，是因意大利物理學(xué)者莫索提（Ottaviano-Fabrizio Mossotti）和德國(guó)物理學(xué)者魯?shù)婪蚩藙谛匏苟＿@方程式也可以更改為表達(dá)極化性和折射率之間的關(guān)系，此時(shí)稱為洛倫茲-洛倫茨方程式（Lorentz-Lorenz equation）。 極化性是一種微觀屬性，而相對(duì)電容率則是介電質(zhì)內(nèi)部的一種巨觀屬性，所以，這方程式連結(jié)了介電質(zhì)關(guān)于電極化的微觀屬性與巨觀屬性。（教材P4

15、89例7.2）,洛倫茲-洛倫茨方程式,Fig 7.8,From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005),(a) Valence electrons in covalent bonds in the absence of an applied field. (b) When an electric field is applied to a covalent solid, the valence electrons in the covalent bonds are shifted very easily with respect to the positive ionic cores. The whole solid becomes polarized due to the collective