介電極化(材料物理性能).ppt

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材 料 物 理 性 能,材料與化學(xué)化工學(xué)院,Chengdu University of Technology,2,1.掌握電介質(zhì)極化的形式和特點； 2.了解復(fù)介電常數(shù)的意義和介質(zhì)損耗的形式； 3.掌握提高介質(zhì)材料介電強度的方法。,一、介質(zhì)的極化 二、介質(zhì)的損耗 三、介電強度,由于介質(zhì)材料在電場的作用下，帶電質(zhì)點發(fā)生短距離的位移，而不是傳導(dǎo)電流，因此在電場中表現(xiàn)出特殊的性狀，大量地用于電絕緣體和電容元件。,要求,本章內(nèi)容,第4章 材料的介電性能,3,4,1.電介質(zhì)：,通常ρ109?m，從電場這一角度看，電介質(zhì)就是絕緣體,2.極化現(xiàn)象：,概述,在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。,導(dǎo)體：ρ109 ?m,將電介質(zhì)放入電場，表面出現(xiàn)電荷。這種在外電場作用下電介質(zhì)表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化。所產(chǎn)生的電荷稱之為“感應(yīng)電荷”。,只討論靜電場與各向同性電介質(zhì)的相互作用。,5,正極板附近的介質(zhì)表面上感應(yīng)出負(fù)電荷 負(fù)極板附近的介質(zhì)表面上感應(yīng)出正電荷,3、電介質(zhì)內(nèi)部的總場強,極化電荷所產(chǎn)生的附加電場不足以將介質(zhì)中的外電場完全抵消，它只能削弱外電場。,介質(zhì)內(nèi)部的總場強不為零！,6,3.電介質(zhì)的結(jié)構(gòu),電介質(zhì)的主要特征:,質(zhì)點中電子被原子核束縛得很緊，即使在外電場作用下，電子一般只能相對于原子核有一微觀的位移，而不象導(dǎo)體中的電子那樣，能夠脫離所屬原子作宏觀運動。,+,7,1）真空平行板電容器C0,A為面積，d為板極間距， ε0真空介電常數(shù)ε0=8.8510-12 F／m(法拉/米),ε是電介質(zhì)的介電常數(shù)，εr稱相對介電常數(shù)。,εr反映了電介質(zhì)極化的能力,4.電容,2) 嵌入電介質(zhì)的電容器C,8,電介質(zhì)對電容器的的影響 （1）可以使電容 C 增加；C=εC0 其中 C0是電容器極板間為真空時的電容。,（2）極板間其間充滿均勻的電介質(zhì)可以 增加電容器的耐壓能力（與空氣相比）。,9,4.1介質(zhì)的極化,一、極化及極化參數(shù),二、克勞修斯-莫索蒂方程,三、介質(zhì)的極化,掌握介質(zhì)的極化現(xiàn)象及其物理量； 理解介質(zhì)極化的各種形式（包括電子位移極化、離子位移極化、松馳極化、轉(zhuǎn)向極化、空間電荷有為化、自發(fā)極化），,要求:,分析討論各種極化的微觀機制及影響極化率的因素。,通過定義電介極化強度,,建立起電介質(zhì)內(nèi)部電介極化強度與宏觀電場之間的關(guān)系，電介極化強度與作用在晶體點陣中一個原子位置上的局部電場之間的關(guān)系，推導(dǎo)出介電常數(shù)與質(zhì)點極化率的關(guān)系。,,10,一、極化及極化參數(shù),電介質(zhì)最重要的性質(zhì)是在外電場作用下能夠極化,1.極化,非極性介質(zhì)極化過程：,2）有了外電場，正、負(fù)電荷將分別受到相反方向的電場力作用而被拉開，導(dǎo)致正、負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移。,3）介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子的過程。,1）無外加電場時，正、負(fù)電荷中心是重合的；,11,在外電場作用下，電介質(zhì)的兩個表面分別出現(xiàn)的正電荷和負(fù)電荷，它們是和介質(zhì)分子連在一起的，不能在電介質(zhì)中自由移動，也不能脫離電介質(zhì)而獨立存在，故稱為束縛電荷或極化電荷。,4）每個電偶極子其電矩方向都沿著外電場的方向排列；,在外電場作用下，電介質(zhì)出現(xiàn)束縛電荷的這種現(xiàn)象，稱為電介質(zhì)的極化。,5）在和外電場垂直的電介質(zhì)兩側(cè)表面上，分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，為束縛電荷或極化電荷。,束縛電荷或極化電荷,12,3）當(dāng)有外電場 時，每個偶極子受到力偶矩作用， 各個偶極子方向趨向一致，要轉(zhuǎn)向外電場的方向 。,極性介質(zhì)極化過程,4）在垂直于外電場方向的兩個表面上也出現(xiàn)束縛電荷。,1）介質(zhì)內(nèi)部存質(zhì)點的正、負(fù)電荷的中心不相重合，存在一定距離，自身形成一個偶極子；,2）無外加電場時，各個偶極子方向隨機排列，雜亂無序；,5）如果撤去外電場，由于分子熱運動，偶極子的排列又將變得雜亂無序，電介質(zhì)又恢復(fù)電 中性狀態(tài)。,13,偶極子：在電場作用下，構(gòu)成質(zhì)點的正負(fù)電荷沿電場方向在有限范圍內(nèi)短程移動，組成一個偶極子。,l,2.極化物理量,(1）電偶極矩? ：?=ql（單位：庫侖 米）,電偶極矩的方向：負(fù)電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場的方向一致,2.1電偶極矩?,質(zhì)點的極化率?： ?= ?/Eloc ，表征材料的極化能力,局部電場Eloc ：作用在微觀質(zhì)點上的局部電場,14,（2）外電場對點偶極子的作用,在外電場E的作用下一個點電偶極子p的位能:,上式表明當(dāng)電偶極矩的取向與外電場同向時，能量為最低，而反向時能量為最高。,U=-p?E,力f使電偶極矩向電力線密集處平移，力矩M使電偶極矩朝外電場方向旋轉(zhuǎn)。,點電偶極子所受外電場的作用力f和作用力矩M分別:,f=p?E；M=p?E,15,（1）介質(zhì)的極化強度P：P=? ?/V單位介質(zhì)體積內(nèi)的電偶極矩總和,χ電介質(zhì)極化系數(shù),P與宏觀平均電場E成正比,,2.2極化強度P,P=(ε－ε0)E=ε0 (εr-1)E , 可以得出電介質(zhì)的相對介電常數(shù)與相對電極化率χ有以下關(guān)系:,極化強度是一個具有平均意義的宏觀物理量，其單位為C/m2。,（2）介質(zhì)的極化強度與宏觀可測量之間的關(guān)系,對各向同性介質(zhì)，實驗表明，當(dāng)電場不太強時，極化強度與場強成正比,εr==1+χ,16,二、克勞修斯-莫索蒂方程：,在外電場的作用下電介質(zhì)發(fā)生極化，整個介質(zhì)出現(xiàn)宏觀電場，但作用在每個分子或原子上使之極化的局部電場（也叫有效場）并不包括該分子或原子自身極化所產(chǎn)生的電場，因而局部電場不等于宏觀電場。但局部電場與宏觀電場有關(guān)。,宏觀電場E 平行板兩端的實際電場強度為外加電場E外與退極化場E1之和。即E=E外+E1,這一電場為宏觀電場。 原子位置上的局部電場Eloc 原子位置上的局部電場Eloc也叫有效電場。 晶體中一個原子位置上的局部電場是外加電場E外與晶體內(nèi)部內(nèi)部其它原子偶極子所產(chǎn)生的電場之和,即Eloc =E外+E總。,對于氣體質(zhì)點，其質(zhì)點的相互作用可以忽略，局部電場與外電場相同,17,構(gòu)成物體的所有質(zhì)點電荷的電場之和E1 （退極化電場，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生）,,1 . 宏觀電場：,退極化場E1,外加電場E外 (物體外部固定電荷所產(chǎn)生。 即極板上的所有電荷所產(chǎn)生）,E宏=E外+E1,18,退極化場E1,2．原子位置上的局部電場Eloc,1）局部電場,晶體中其它原子所產(chǎn)生的電場E總,,外加電場E外,晶體中原子上的內(nèi)電場,球外介質(zhì)的作用：,晶體內(nèi)部所有其他原子對于局部電場的貢獻是由介質(zhì)中所有其它原子的偶極矩在一個原子位置上所產(chǎn)生的總場：E總= E1+E2 +E3,,洛倫茲場E2：空球表面極化電荷作用場(E2)稱為洛倫茲場,E3為只考慮質(zhì)點附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定,空腔內(nèi)其他偶極子的場E3 ：,晶體中其它原子所產(chǎn)生的電場E總,19,由 P= Q1 /A= ?oE1 得： E1 = P / ?o,退極化場E1：,對于平板其值為束縛電荷在無介質(zhì)存在時形成的電場：,2）局部電場Eloc,為了方便，可將其他原子偶極子場進行分解，并對其求和。,20,洛倫茲場E2 ：,在介質(zhì)中切割出一個以所參考的原子為中心的球形空腔，空腔表面上的極化電荷所產(chǎn)生的電場就是洛倫茲場E2。可根據(jù)庫侖定律,以θ表示相對于極化方向的夾角，θ處空腔表面上的面電荷密度就是-Pcosθ，取dθ角對應(yīng)的微小環(huán)球面，其表面積dS為：,21,,dq在空腔球心O點產(chǎn)生的電場,dS面上的電荷：,整個空腔球面上的電荷在O點產(chǎn)生的洛倫茲場E2:,22,E3為只考慮質(zhì)點附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定，具有對稱中心及立方對稱環(huán)境結(jié)構(gòu)的晶體，E3=0。,得局部電場（洛倫茲關(guān)系）:,空腔內(nèi)其他偶極子的場E3,23,3．克勞修斯—莫索蒂方程,克勞修斯-莫索蒂方程： 由P=ε0（εr-1）E，及P=nαEloc,24,（ ? r －1 ）/（ ? r +2 ）= n? /（3 ?o ） （ ? r －1 ）/（ ? r +2 ）-----? r越大其值越大,克勞修斯-莫索蒂方程的意義：,建立了可測物理量? r （宏觀量）與質(zhì)點極化率?（微觀量）之間的關(guān)系,克勞修斯-莫索蒂方程的適用范圍：,由于在推導(dǎo)克勞修斯-莫索蒂方程上時，假設(shè)E3=0，適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當(dāng)對稱性的固體,高介電常數(shù)質(zhì)點的? r 和? ：,從克勞修斯-莫索蒂方程可知，為了獲得高介電常數(shù)的介質(zhì)， 需要選擇大?的離子，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點數(shù)n要多，即單位體積的極化質(zhì)點數(shù)要多,25,第二種是松弛極化。這種極化與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一定的時間，并且是非彈性的，因而消耗一定的能量。,三、介質(zhì)的極化,1.介質(zhì)極化種類：,電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化、空間電荷極化和自發(fā)極化等,2.極化基本形式：,第一種是位移式極化。是一種彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量。,電子位移極化、離子位移極化屬這種情況,電子松弛極化、離子松弛極化屬這種類型,26,27,四、位移極化,（一）電子位移極化,在外電場作用下，由于正電中心和負(fù)電中心的移動而形成的極化現(xiàn)象叫做叫電子位移極化。,位移極化,位移極化主要是由電子的移動造成的。,外場越強，分子電矩的矢量和越大，極化也越厲害。,均勻介質(zhì)極化時在介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷，,非均勻介質(zhì)極化時，介質(zhì)的表面及內(nèi)部均可出現(xiàn)極化電荷。,28,一個質(zhì)量為m，帶電為-e的粒子，為一帶正電+e的中心所束縛，彈性恢復(fù)力為-kx。則在電場作用下的運動方程為：,表示x對時間t的二階導(dǎo)數(shù)。k是彈性恢復(fù)系數(shù)，x表示粒子的位移,1.電子位移極化的經(jīng)典理論,1)電偶極矩μ,電荷-e的運動方程,29,電偶極矩μ,電荷的相對位移x,彈性偶極子的固有振動頻率,30,靜態(tài)極化率 令ω→0，得靜態(tài)極化率,2）極化率α,電子極化率依賴于頻率,31,,電荷(-e)環(huán)繞以電荷+q為圓心的圓周軌道運行。垂直于軌道平面的電場Eloc使+q沿軸線從軌道中心移至M點，則原子感生偶極矩為μ=ed，d=‖OM‖。,3）玻爾原子模型估算αe,32,核與電子吸引力e2/4πε0R2和FR之間平衡而形成穩(wěn)定的軌道，因此有,根據(jù)三角形幾何關(guān)系:,FR為沿軌道運行的電子的離心力,33,電偶極矩μ和極化率αe,若考慮同類原子的一個集合，它們所有軌道是隨機取向，如電場較低，則在電場方向上平均感生偶極矩為 ＜μ＞=μ＜cos2θ＞= 1/3,電子極化率的大小與原子(離子)半徑有關(guān),平均感生偶極矩＜μ＞,34,離子的極化率和半徑,35,在電場中離子的位移，受到彈性恢復(fù)力的限制。 設(shè)離子位移δ+，負(fù)離子位移δ-，δ+和δ-符號相反。,（二）離子位移極化,離子在電場的作用下，偏移平衡位置引起的極化。,感生的電偶極矩：,在交變電場作用下，離子在電場中的運動設(shè)想為彈簧振子。,36,2) 運動方程,約化質(zhì)量,正離子受到彈性恢復(fù)力：-k(δ+ - δ- ) 負(fù)離子受到彈性恢復(fù)力：-k( δ- - δ+ ),1) 彈性恢復(fù)力：,運動的牛頓定律：,相對振動的固有頻率,37,,3) 正負(fù)離子的相對位移：,4) 離子位移極化率,靜態(tài)極化率 令ω→0，可得靜態(tài)極化率,離子位移極化建立的時間約為10-12-10-13秒,離子位移極化和電子位移極化的表達式一樣，都具有彈性偶極子的極化性質(zhì),38,比位移極化移動較大距離，移動時需克服一定的勢壘，極化建立時間長，需吸收一定的能量，是一種非可逆過程。,五、松弛極化,松弛質(zhì)點：,松弛質(zhì)點由于熱運動使之分布混亂， 電場力使之按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化。,材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子,松弛極化：,松弛極化的特點：,39,弱聯(lián)系離子的極化從一個平衡位置到另一個平衡位置，當(dāng)去掉外電場時，離子不能回到原來的平衡位置，因而是不可逆的遷移。 這種遷移的行程比彈性位移距離大。,（一）離子松弛極化,1）強聯(lián)系離子：,在完整的離子晶體中，離子處于正常結(jié)點，能量最低，最穩(wěn)定，離子牢固地束縛在結(jié)點上，稱為強聯(lián)系離子。,它們在電場作用下，只能產(chǎn)生彈性位移極化,2) 弱聯(lián)系離子：,在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離于品體中以及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)域，離子本身能量較高，易被活化遷移，稱為弱聯(lián)系離子。,40,只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動，需要越過勢壘U松，由于U松＜U電導(dǎo)，所以離子參加極化的幾率遠(yuǎn)大于參加電導(dǎo)的幾率。,離子松弛極化與離子電導(dǎo)勢壘 U—結(jié)點上離子遷移需克服的勢壘； U’—填隙離于遷移需克服的勢壘。,3) 離子松弛極化的遷移和離子電導(dǎo)的區(qū)別：,離子松弛極化的遷移和離子電導(dǎo)不同,,離子電導(dǎo)是離子作遠(yuǎn)程遷移,離子松弛極化質(zhì)點僅作有限距離的遷移,41,設(shè)單位體積的介質(zhì)中弱聯(lián)系離子總數(shù)為n0，則沿軸進行熱運動的離子數(shù)為n0 /3，沿x軸正向熱運動的離子數(shù)為n0 /6，沿x鈾負(fù)向熱運動的離子數(shù)也為n0 /6 。,4)離子松弛極化,設(shè)缺陷區(qū)內(nèi)有兩個平衡位置1及2，當(dāng)離子熱運動超過位壘U時，離子就會從1轉(zhuǎn)移到2，或從2轉(zhuǎn)移到1。,設(shè)單位體積內(nèi)占有位置1和2的離子數(shù)分別為n1，n2，則,42,n2-n1=2 △n,由2到1的離子數(shù)應(yīng)為,則dt時間內(nèi)，n1的變化為,式中負(fù)號表示對位置1來說為減少。,平衡時，設(shè)位置1離子減少△n ，則位置2的離子數(shù)增加△n,單位時間內(nèi)由1到2的離子數(shù),γ為離子的固有振動頻率,當(dāng)有外電場E作用時，離子從1到2與從2到l所克服的勢壘不同，分別為（U- △U），（U+ △U ），這樣沿x軸正向轉(zhuǎn)移的離子數(shù)就會大于沿x軸負(fù)向轉(zhuǎn)移的離子數(shù)。,43,當(dāng)△UkT時,,,44,設(shè)極化過程中△U不變，并令,,C是常數(shù)，如果t=0， △n也等于0，則C=- n0 △U/（6kT），所以,積分得,電場作用下，由于F=qE,,則,,45,t→∞時， △n趨于穩(wěn)定。實際上，t=3τ時，極化就基本完成。,由于△n引起介質(zhì)中弱聯(lián)系離子分布不對稱，產(chǎn)生的偶被矩總和為△n qδ，因而極化強度P為：,式中E即為局部電場，因而熱松弛極化率為：,τ稱為弱聯(lián)系離子的松弛時間， △n實際上為+x方向轉(zhuǎn)移的凈離子數(shù)(稱為過剩轉(zhuǎn)移離子數(shù)）。,46,松馳極化P與溫度的關(guān)系中往往出現(xiàn)極大值。 一方面，溫度升高，τ減小，松弛過程加快，極化建立得更充分些，這時ε可升高， 另一方面，溫度升高，極化αT下降，使ε降低，所以在適當(dāng)溫度下ε有極大值。 離子松弛極化建立時間長達10-2-10-5秒。 高頻率下:無松弛極化,只存在電子和離子位移極化(ε趨近于ε∞)。,溫度越高,熱運動對質(zhì)點的規(guī)則運動阻礙增強，因而αT減小。,,,,,T,P,47,材料中弱束縛電子在晶格熱振動下，吸收一定能量由低級局部能級躍遷到較高能級處于激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個陽離子結(jié)點，移到另一個陽離子結(jié)點；外加電場使其運動具有一定的方向性，由此引起極化，使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。,（二）電子松弛極化,1.弱束縛電子：,晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子。,2.電子松弛極化：,這種極化與熱運動有關(guān)，也是一個熱松弛過程，所以叫電子松弛極化。 電子松弛極化的過程是不可逆的，必然有能量的損耗。,48,電子松弛極化和電子彈性位移極化不同，完成極化的是弱束縛電子，產(chǎn)生的極化效果強烈。,電子松弛極化和電子彈性位移極化：,電子松弛極化和電導(dǎo)不同,只有當(dāng)弱束縛電子獲得更高的能量時,受激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子,才形成電導(dǎo)。,弱束縛電子和自由電子：,弱束縛電子和自由電子也不同,不能自由運動,即不能遠(yuǎn)程遷移,電子松弛極化和電導(dǎo)區(qū)別：,具有電子松弛極化的介質(zhì)往往具有電子電導(dǎo)特性,49,一般以TiO2為基礎(chǔ)的電容器陶瓷很容易出現(xiàn)弱束縛電子，形成電子松弛極化。含有Nb+5，Ca+2，Ba+2雜質(zhì)的鈦質(zhì)瓷和以鈮、鉍氧化物為基礎(chǔ)的陶瓷，也具有電子松弛極化。 4. 電子松弛極化建立的時間約10-2~10-9秒，當(dāng)電場頻率高于109Hz時，這種極化形式就不存在了。,3. 電子松弛極化主要是折射率大、結(jié)構(gòu)緊密、內(nèi)電場大和電子電導(dǎo)大的電介質(zhì)的特性。,具有電子松弛極化的介質(zhì)，其介電常數(shù)隨頻率升高而減小，類似于離子松弛極化。 ε隨溫度的變化中也有極大值。和離子松弛極化相比,電子松弛極化可能出現(xiàn)異常高的介電系數(shù)。,50,a) 極化是非彈性的，消耗的電場能在復(fù)原時不可能收回。 b) 形成極化所需時間較長,約為10-10～10-2ｓ,故其εr與電源頻率有較大的關(guān)系,頻率很高時,偶極子來不及轉(zhuǎn)動,因而其εr減小。 c) 溫度對極性介質(zhì)的εr有很大的影響。 溫度過低時，由于分子間聯(lián)系緊，分子難以轉(zhuǎn)向， εr也變小(只有電子式極化)，所以極性液體、固體的εr在低溫下先隨溫度的升高而增加，當(dāng)熱運動變得較強烈時，εr又隨溫度的上升而減小。,六、轉(zhuǎn)向極化,轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性介質(zhì)中。具有恒定偶極矩μ的分子稱為極性分子。,1.偶極子轉(zhuǎn)向極化：,具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場作用下，偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外加電場方向一致，與極性分子的熱運動達到統(tǒng)計平衡狀態(tài)，整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。,2.偶極子極化特點：,51,帶有正負(fù)電荷的成對的晶格缺陷所組成的離子晶體中的“偶極子”，在外電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向極化。圖所示的極化，是由雜質(zhì)離子在陰離子空位周圍跳躍引起，也稱為離子躍遷極化。,3.離子晶體介質(zhì)轉(zhuǎn)向極化：,離子躍遷極化,,,,52,七、 空間電荷極化,1.空間電荷極化： 在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運動的障礙； 在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。,外電場,53,自發(fā)極化不是由外加電場引起的，它是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的。在此類晶體中，每個晶胞里存在固有電矩，此類晶體稱為極性晶體。 自發(fā)極化現(xiàn)象通常發(fā)生在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體中。,ａ) 其時間約為幾秒鐘到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十余小時。 ｂ) 屬非彈性極化，有能量損耗。 ｃ) 隨溫度的升高而下降。溫度升高，離子運動加劇，離子擴散就很容易，因而空間電荷的積聚就會減小。 ｄ) 與電源的頻率有關(guān)，主要存在于低頻至超低頻階段，高頻時，因空間電荷來不及移動，就沒有或很少有這種極化現(xiàn)象。,2.空間電荷極化特點：,八、自發(fā)極化,54,各種極化形式的綜合比較,55,兩相存在時，有ε1、ε2 及x1 + x2 = 1 利用并聯(lián)電容器模型： ε = X1ε1 + X2ε2 利用串聯(lián)電容器模型： ε-1 = x1ε1 -1 + x2ε2 -1 一般情況下為： εk = x1ε1k + x2ε2k 顯然，在上式中，當(dāng)k = -1 時，為串聯(lián)模式，k = 1時， 為并聯(lián)模式，一般情況下，k介于-1與+1之間，對上式求ε的全微分有： kεk-1dε = x1kε1k-1dε1 + x2kε2k-1dε2,九、多晶多相無機材料的極化,1.混合物法則(與電導(dǎo)混合類似),當(dāng)k→0時，有： 對其積分得： lnε = x1lnε1 + x2lnε2,適用于介電常數(shù)不大的均勻介質(zhì),56,假設(shè)材料由晶粒和晶界組成，總電導(dǎo)率為：,σG,σB分別為晶粒、晶界的電導(dǎo)率，VG，VB分別為晶粒、晶界的體積分?jǐn)?shù)。 n→0時，總電導(dǎo)率為對數(shù)混合： Ln σT = VG ln σG + VB ln σB,材料電導(dǎo)的混合法則,n= -1串聯(lián)狀態(tài),n=1并聯(lián)狀態(tài),n→0混合狀態(tài),57,如電瓷、堿玻璃和高溫含鈦陶瓷： 表現(xiàn)為離子松弛極化的材料：折射率小，結(jié)構(gòu)松散的電介質(zhì)，如硅酸鹽玻璃、綠寶石、堇青石等 表現(xiàn)為電子松弛極化的材料：折射率大，結(jié)構(gòu)緊密，內(nèi)電場大、電子電導(dǎo)大的電介質(zhì)，如高溫含鈦陶瓷。,2. 陶瓷介質(zhì)的極化,1）主要是電子位移極化的電介質(zhì)：,2）主要是離子位移極化的材料：,剛玉、斜頑輝石為基礎(chǔ)的陶瓷以及堿性氧化物含量不多的玻璃,3）具有顯著離子松弛極化與電子松弛極化的材料：,金紅石瓷、鈣鈦礦瓷以及某些含鋯陶瓷,58,介電常數(shù)的溫度系數(shù):,采用實驗方法求TKε,t0一般為室溫，t為改變后的溫度， ε0，εt分別為介質(zhì)在t0，t時的介電常數(shù)。,3. 介電常數(shù)的溫度系數(shù),亞硝基苯C6H5NO2的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系,59,不同的極化形式下介電系數(shù)的溫度系數(shù)： 1）電子式極化，TKε為負(fù)，故當(dāng)溫度升高時，介質(zhì)密度降低，極化強度P也降低; 2）離子式極化， TKε為正； 3）松弛極化， TKε可為正，亦可為負(fù)，在某個溫度時，ε可出現(xiàn)最大值。,60,TKε的應(yīng)用： 1） TKε為正：正溫度系數(shù)(PTC)，濾波電路和隔直流的電容器; 2）TKε為負(fù)：負(fù)溫度系數(shù)(NTC)，熱補償電容器; 3）TKε接近0值：要求電容量熱穩(wěn)定度高的回路中的電容器和高精度的電子儀器中的電容器。,在金紅石瓷中加入一定數(shù)量的稀土氧化物L(fēng)a2O3、Y2O3等，可降低TKε，提高熱穩(wěn)定性，并使ε仍然保持較高的數(shù)值。,電介質(zhì)的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)的電介質(zhì),例,三相濾波,熱補償,61,BaTio3多層陶瓷,填充介質(zhì)是由銣、釤和其它稀有氧化物,聚萘二甲酸乙二醇酯,聚對苯二甲酸乙二醇酯,常用電介質(zhì)：,62,小結(jié),本節(jié)主要內(nèi)容： 1.電介質(zhì)：介電常數(shù) 2.介質(zhì)極化： 極化參數(shù) 極化的幾種形式 3.介電常數(shù)的應(yīng)用,63,4.2 電介質(zhì)的損耗,復(fù)習(xí),1、什么是電介質(zhì)極化？ 2、給出克勞修斯-莫索蒂方程及其適用范圍。 3、高介電晶體 的結(jié)構(gòu)特點。,本節(jié)內(nèi)容,1、介質(zhì)損耗產(chǎn)生的原因。 2、介質(zhì)損耗的表征方法。 3、介質(zhì)損耗的影響因素。,64,一、介質(zhì)損耗的產(chǎn)生,1.介質(zhì)損耗,絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。簡稱介損。,能量損耗-轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽鐭崮?、光能?電介質(zhì)加熱:電極之間加高頻電壓，因構(gòu)成電介質(zhì)的各個分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振動、碰撞、摩擦等激烈運動，在電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱。利用電介質(zhì)發(fā)熱的加熱方式為電介質(zhì)加熱。,65,電導(dǎo)損耗由漏導(dǎo)電流引起，與自由電荷有關(guān)，對電容器施加直流電壓，充電電流隨時間增加而降到某一恒定的數(shù)值，這個電流稱為電容器的漏電流。,2.介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),1)介質(zhì)電導(dǎo)的滯后效應(yīng)-電導(dǎo)損耗,結(jié)論：電導(dǎo)損耗實質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功。絕緣好的液、固電介質(zhì)在工作電壓下的電導(dǎo)損耗很小，損耗隨溫度的增加而急劇增加.,與離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)現(xiàn)象的異同？,66,主要是因為在外電場作用下,材料內(nèi)自由電荷重新分布的結(jié)果。,介質(zhì)漏導(dǎo)電流與離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)現(xiàn)象的異同？,1．離子電導(dǎo)陶瓷材料的漏導(dǎo)電流,在測量陶瓷電阻時，加上直流電壓后，電阻需要經(jīng)過一定的時間才能穩(wěn)定。切斷電源后，將電極短路，有反向放電電流，并隨時間減小到零，隨時間變化的這部分電流稱為吸收電流， 最后恒定的電流稱為漏導(dǎo)電流。,產(chǎn)生的原因-空間電荷效應(yīng),在電場作用下，正負(fù)離子分別向負(fù)、正極移動，引起介質(zhì)內(nèi)各 點離子密度變化，并保持在高勢壘狀態(tài)。在介質(zhì)內(nèi)部，離子減少，在電極附近離子增加，或在某地方積聚，這樣形成自由電荷的積累，稱空間電荷。,67,極化損耗由極化電流引起，介質(zhì)極化的建立引起電流，與極化松弛等有關(guān)；,2）介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)：極化損耗,時間,,只有緩慢極化過程才會引起能量損耗，如偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，這種極化損耗能量。 極化損耗與溫度、電場頻率有關(guān)。,68,3）常見介質(zhì)中的損耗形式,69,有關(guān)介質(zhì)的損耗描述方法有多種，哪一種描述方法比較方便，需根據(jù)用途而定。,二、介質(zhì)損耗的表征方法,70,在交變電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角Φ)的余角(δ)。 簡稱介損角,1、介質(zhì)損耗角δ,2、介質(zhì)損耗正切值tgδ,又稱介質(zhì)損耗因數(shù)，是指介質(zhì)損耗角正切值，簡稱介損角正切。介質(zhì)損耗因數(shù)的定義如下,71,這正是損失角δ=(90-Φ)的正切值。因此現(xiàn)在的數(shù)字化儀器從本質(zhì)上講，是通過測量δ或者Φ得到介損因數(shù)。,總電流可以分解為電容電流Ic和電阻電流IR合成，因此：,電流相量,的相量圖：,和電壓相量,72,I = IC + IR =(iωC+G)U,G=σS/d,C=εS/d,,,損耗角正切：,73,1）復(fù)介電常數(shù)的含義,①原子核外電子云的畸變極化； ②分子中正、負(fù)離子的（相對）位移極化； ③分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化。,電極化的基本過程有三：,在外界電場作用下，介質(zhì)的介電常數(shù) ε是綜合地反映這三種微觀過程的宏觀物理量；它是頻率 ω的函數(shù)ε(ω)。,3、復(fù)介電常數(shù),74,只當(dāng)頻率為零或頻率很低（例如1千赫）時,三種微觀過程都參與作用，這時的介電常數(shù)ε(0)對于一定的電介質(zhì)而言是個常數(shù)，通稱為介電常數(shù)，這也就是靜電介電常數(shù)εs或低頻介電常數(shù)。,低頻極化,75,中頻極化,隨著頻率的增加，分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化逐漸落后于外場的變化，這時，介電常數(shù)取復(fù)數(shù)形式ε(ω)＝ε′(ω)-jε″(ω)，其中虛部ε″(ω)代表介質(zhì)損耗；它是由于電極化過程追隨不上外場的變化而引起的。,實部隨著頻率的增加而顯著下降，虛部出現(xiàn)峰值。,76,頻率再增加，實部ε′(ω)降至新值，虛部ε″(ω)變?yōu)榱悖@表示分子固有電矩的轉(zhuǎn)向極化已不能響應(yīng)了。 當(dāng)頻率進入到紅外區(qū)，分子中正、負(fù)離子電矩的振動頻率與外場發(fā)生共振時，實部ε′(ω)先突然增加，隨即陡然下降,ε″(ω)又出現(xiàn)峰值； 過此以后，正、負(fù)離子的位移極化亦不起作用了。,高頻極化,77,光頻極化,在可見光區(qū),只有電子云的畸變極化在起作用了,這時實部取更小的值，稱為光頻介電常數(shù)，記以ε→∞，虛部對應(yīng)于光吸收。 光頻介電常數(shù)ε→∞實際上隨頻率的增加而略有增加。 在某些頻率時,實部ε′(ω)先突然增加隨即陡然下降，與此同時虛部ε″(ω)出現(xiàn)峰值，這對應(yīng)于電子躍遷的共振吸收。,78,J=(iωε+σ)E,復(fù)電導(dǎo)率：,σ*= iωε+σ,J=σ*E,J=iωε * E,I = IC + IR =(iωC+G)U,G=σS/d,C=εS/d,,,,復(fù)介電常數(shù),2）漏導(dǎo)復(fù)介電常數(shù)：,79,復(fù)介電常數(shù):,ε* = ε’- iε”,ε’= ε ε”=σ/ω,損耗角正切：,ε’和ε”是依賴于頻率的量,介質(zhì)的損耗由復(fù)介電常數(shù)的虛部???引起，通常電容電流由實部??引起，相當(dāng)于實際測得介電常數(shù)。,,,80,時間,,,P,理想,介質(zhì)的弛豫過程,極化強度隨時間變化的速率,P0=x0E，P1∞=x1E,x0，x1絕對極化系數(shù)，τ是弛豫時間常數(shù),2）極化損耗的復(fù)介電常數(shù),81,交變電場作用下的P(t)為：,-復(fù)極化系數(shù)(相對),A.極化損耗復(fù)介電常數(shù),82,低頻或者靜態(tài):εr’取ε(0)， ε(0)代表靜態(tài)相對介電常數(shù)； 頻率ω→∞: εr’ →ε∞ ，ε∞代表光頻相對介電常數(shù),C.ε(0) 和ε∞,B.極化損耗復(fù)介電常數(shù)含義：,,83,其中： ?(0) -----低或靜態(tài)的相對介電常數(shù) ?? ------ ???時的相對介電常數(shù),?r(?)=??+[ ?(0) - ??] /(1+i ??) ?r = ??+[ ?(0) - ??] /(1+ ?2?2) （ ?r(?)的實部） ?r = [ ?(0) - ??] ?? /(1+ ?2?2) （ ?r(?)的虛部） tg?=?r/ ?r,,,D.復(fù)介電常數(shù)的德拜表達式,,84,研究了電介質(zhì)的介電常數(shù)ε?、反映介電損耗的εr??、所加電場的角頻率?及松弛時間?的關(guān)系。,E.德拜表達式的意義,85,1）直流電壓下 PW=IU=GU2 G為介質(zhì)的電導(dǎo),單位為西門子(S)。,在一定的直流電場下，介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率,4、介質(zhì)損耗功率,定義單位體積的介質(zhì)損耗為介質(zhì)損耗功率p，,V為介質(zhì)體積，σ為純自由電荷產(chǎn)生的電導(dǎo)率(S/m)。,86,,2）交流電壓下,σ=ωεtgδ,介質(zhì)等效電導(dǎo)率σ,介質(zhì)損耗只與εtgδ有關(guān)。 εtgδ僅由介質(zhì)本身決定，稱為損耗因素。,εr’即為通常測量的εr，則,在高頻電壓下，ωτ1,,在低頻電壓下，ωτ1,σ與ω2成正比。,?r = [ ?(0) - ??] ?? /(1+ ?2?2),介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與松弛極化過程有關(guān)。,外施電壓一定時:,87,1）當(dāng)外加電場頻率很低，即ω→0時，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，此時不存在極化損耗，介電常數(shù)達最大值。 介電損耗主要由電導(dǎo)損耗引起，PW和頻率無關(guān)。tgδ=σ/ωε，則當(dāng)ω→0時，tgδ→∞。隨著ω的升高，tgδ減小。,三、 介質(zhì)損耗的影響因素,頻率、溫度、濕度,1.頻率的影響,88,2）當(dāng)外加電場頻率逐漸升高時，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)的貢獻逐漸減小，因而εr隨ω升高而減少。 在這一頻率范圍內(nèi)，由于ωτ1，故tgδ隨ω升高而增大，同時Pw也增大。,89,(3)當(dāng)ω很高時，εr→ε∞，介電常數(shù)僅由位移極化決定，εr趨于最小值。此時由于ωτ1，此時tgδ隨ω升高而減小。ω→∞時，tgδ→0。,90,（1）當(dāng)溫度很低時,τ較大,由德拜關(guān)系式可知,εr較小，tgδ也較小,2.溫度的影響,在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升，τ減小，εr、tgδ和PW上升。,溫度對松弛極化產(chǎn)生影響，因而P，ε和tgδ與溫度關(guān)系很大。松弛極化隨溫度升高而增加，離子間易發(fā)生移動，松弛時間常數(shù)τ減小。,91,(2)當(dāng)溫度較高時，大于Tm，τ較小，此時,在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升，τ減小，tgδ減小。PW主要決定于極化過程， PW也隨溫度上升而減小。,92,（3）當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達到很大值時，離子熱運動能量很大，離子在電場作用下的定向遷移受到熱運動的阻礙，因而極化減弱，εr下降。 電導(dǎo)損耗劇烈上升，tgδ也隨溫度上升急劇上升。,93,介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)會增加，但比電導(dǎo)的增加要慢，由于電導(dǎo)損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使tgδ增大。 對于極性電介質(zhì)或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內(nèi)水分含量從4％增加到10％時，其tgδ可增加100倍。,3.濕度的影響,94,四、壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng),（一）玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng),1、玻璃電導(dǎo)中為什么采用壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)？,因為玻璃的結(jié)構(gòu)松散，堿金屬離子不能與兩個氧原子聯(lián)系以延長點陣網(wǎng)絡(luò)，形成弱聯(lián)系離子，所以電導(dǎo)會增加。,2、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用,減小玻璃電導(dǎo)率,3、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的機理,指當(dāng)玻璃中堿 金屬離子總濃度較大時(占玻璃組成25-30%)，堿金屬離子總濃度相同的情況下，含兩種堿金屬離子比含一種堿金屬離子的玻璃電導(dǎo)率要小。,A.雙堿效應(yīng)：,95,R K+R Li+，在外電場的作用下，堿金屬離子移動時，Li+離子留下的空位比K+留下的空位小， K+只能通過本身的空位； Li+進入大體積空位，產(chǎn)生應(yīng)力，不穩(wěn)定，只能進入同種離子空位較為穩(wěn)定； 大離子不能進入小空位，使通路堵塞，妨礙小離子的運動； 相互干擾的結(jié)果使電導(dǎo)率大大下降。,以K2O、Li2O為例,例,96,指含堿破璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物，使玻璃的電導(dǎo)率降低，相應(yīng)的陽離子半徑越大，這種效應(yīng)越強。,壓堿效應(yīng)機理,由于二價離子與玻璃中氧離子結(jié)合比較牢固，能嵌入玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以致堵住了遷移通道，使堿金屬離子移動困難，因而電導(dǎo)率降低。,結(jié)論： 一般玻璃相的電導(dǎo)率比晶體相高。因此對介質(zhì)材料應(yīng)盡量減少玻璃相的電導(dǎo)。,B.壓堿效應(yīng)：,97,（一）玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng),1、玻璃損耗中為什么采用壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)？,因為堿性氧化物進入玻璃的點陣結(jié)構(gòu)后，使離子所在處點陣受到破壞。因此，玻璃中堿性氧化物濃度愈大，玻璃結(jié)構(gòu)就愈疏松，離子就有可能發(fā)生移動，造成電導(dǎo)損耗和松弛損耗，使總的損耗增大,2、玻璃態(tài)電導(dǎo)的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的作用,減小玻璃損耗,98,兩種堿性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶結(jié)構(gòu)，在堿性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，離子與主體結(jié)構(gòu)較強地固定著，實際上不參加引起介質(zhì)損耗的過程；在離開最佳比值的情況下，一部分堿金屬離子位于微晶的外面，即在結(jié)構(gòu)的不緊密處，使介質(zhì)損耗增大。,3、玻璃態(tài)損耗的壓堿效應(yīng)和雙堿效應(yīng)的機理,A.雙堿效應(yīng)：,在含堿玻璃中加入二價金屬氧化物，特別是重金屬氧化物時，壓抑效應(yīng)特別明顯。因為二價離子有二個鍵能使松弛的堿玻璃的結(jié)構(gòu)網(wǎng)鞏固起來，減少松弛極化作用，因而使tgδ降低。,B.壓堿效應(yīng),99,電介質(zhì)損耗用作一種電加熱手段，即利用高頻電場（一般為0.3～300兆赫） 對電介質(zhì)損耗大的材料（如木材、紙、陶瓷等）進行加熱。 頻率高于 300兆赫時 ，達到微波波段 ，即為微波加熱（ 家用微波爐即據(jù)此原理）。,五、介電損耗的應(yīng)用,當(dāng)絕緣材料用于高電場強度或高頻的場合，應(yīng)盡量采用介質(zhì)損耗因數(shù)（即電介質(zhì)損耗角正切tgδ，它是電介質(zhì)損耗與該電介質(zhì)無功功率之比）較低的材料。,100,總之，介質(zhì)損耗是介質(zhì)的電導(dǎo)和松弛極化引起的電導(dǎo)和極化過程中帶電質(zhì)點（弱束縛電子和弱聯(lián)系離子，并包括空穴和缺位）移動時，將它在電場中所吸收的能量部分地傳給周圍“分子”，使電磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺肿印钡臒嵴駝樱芰肯脑谑闺娊橘|(zhì)發(fā)熱效應(yīng)上。,結(jié)論：,101,4.3 介電擊穿,一、介質(zhì)的擊穿,二、擊穿類型,熱擊穿,電擊穿,化學(xué)擊穿,三、改善擊穿的措施,本節(jié)內(nèi)容,復(fù)習(xí),1、電介質(zhì)產(chǎn)生損耗的原因？ 2、表征電介質(zhì)損耗的復(fù)介電常數(shù)的表達式及含義是什么？ 3、介質(zhì)損耗的影響因素。,102,一、介質(zhì)的擊穿,在強電場作用下，電介質(zhì)喪失電絕緣能力，電介質(zhì)的電導(dǎo)突然增大甚至引起結(jié)構(gòu)損壞或破碎，稱為介電擊穿。,a.可用擊穿效應(yīng)來破碎非金屬礦石等,b.擊穿是標(biāo)志電介質(zhì)在電場作用下保持絕緣性能的極限能力，是決定電力設(shè)備，電子元器件最終使用壽命的重要因素。,,,1.介電擊穿,103,3.介電強度,2.擊穿電壓,導(dǎo)致?lián)舸┑淖畹团R界電壓稱為擊穿電壓。,電介質(zhì)能夠經(jīng)受而不致?lián)p壞的最大電場稱為擊穿場強,即介電強度Ec，是絕緣性能好壞的一個重要標(biāo)志。,均勻電場介電強度:擊穿電壓與固體電介質(zhì)厚度之比稱為擊穿電場強度（簡稱擊穿場強，又稱介電強度），它反映固體電介質(zhì)自身的耐電強度。 不均勻電場介電強度:擊穿電壓與擊穿處固體電介質(zhì)厚度之比稱為平均擊穿場強，它低于均勻電場中固體電介質(zhì)的介電強度。,104,在電場作用下，固體電介質(zhì)承受的電場強度雖不足以發(fā)生電擊穿，但因電介質(zhì)內(nèi)部熱量積累、溫度過高而導(dǎo)致失去絕緣能力，從而由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)電狀態(tài)。,（一） 固體電介質(zhì)的熱擊穿,1）熱擊穿的本質(zhì),發(fā)生在高頻、高壓下。熱擊穿的核心問題是散熱問題。,二、固體電介質(zhì)的擊穿類型及影響因素,熱擊穿、電擊穿和電化學(xué)擊穿,105,Q1：單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的發(fā)熱量 Q2:單位時間內(nèi)固體電介質(zhì)的散熱量 E3 Ec E1,2）熱擊穿過程,固體電介質(zhì)在電場作用下將因電導(dǎo)和極化損耗而發(fā)熱。,A.外加電場為E3Ec 固體電介質(zhì)中的發(fā)熱量Q1大于散熱量Q2 ，介質(zhì)溫度上升，且因Q1 始終大于Q2，所以固體電介質(zhì)的溫度不斷上升，最終介質(zhì)被燒焦、燒熔、或燒裂，喪失絕緣性能，發(fā)生熱擊穿。,106,B.外加電場為E1Q2 ，固體電介質(zhì)溫度上升；但當(dāng)溫度度升到Tc時，發(fā)熱量與散熱量 相等，建立起了熱平衡。此時，若介質(zhì)能耐受溫度Tc的作用，則固體電介質(zhì)能正常工作，不會發(fā)生熱擊穿。,C.外加電壓為等于Ec 當(dāng)介質(zhì)溫度升到Tc時，建立起了熱平衡，但不穩(wěn)定。溫度略有升高，發(fā)熱量Q1即大于散熱量Q2，最終仍然發(fā)生熱擊穿。電場強度Ec是發(fā)生熱擊穿的臨界場強Ec 。,介質(zhì)中發(fā)熱與散熱平衡關(guān)系示意圖,107,A，B是與材料有關(guān)的常數(shù)。 (1)熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。 (2)熱擊穿電壓大致不隨介質(zhì)的厚度變化。,1）溫度不均勻的厚膜介質(zhì),2.溫度均勻薄膜介質(zhì),e為自然對數(shù)的底， Uc隨試樣厚度的平方根而變化。,3）熱擊穿電壓,108,電擊穿是介質(zhì)在強電場作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起,電介質(zhì)中存在的少量傳導(dǎo)電子在強外電場加速下得到能量。若電子與點陣碰撞損失的能量小于電子在電場加速過程中所增加的能量，則電子繼續(xù)被加速而積累起相當(dāng)大的動能，足以在電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生碰撞電離，形成電子雪崩現(xiàn)象。結(jié)果電導(dǎo)急劇上升，最后導(dǎo)致?lián)舸?（二） 固體介質(zhì)的電擊穿,電擊穿 取決于固體電介質(zhì)中碰撞電離的一種擊穿形式。電場使電介質(zhì)中積聚起足夠數(shù)量和足夠能量的自由電子，導(dǎo)致電介質(zhì)喪失絕緣性能。,1）電擊穿的本質(zhì),,E,109,1)外加電場為 E2 Ec 一部分傳導(dǎo)電子的能量處于W2 ～Wc 之間，單位時間內(nèi)這些電子取得的能量A始終大于失去的能量B，電子被加速，碰撞晶格時產(chǎn)生電離，使處于導(dǎo)帶的電子不斷增加，電流急劇上升，最終導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿。 2)外加電場為E1 B而使晶格發(fā)生碰撞電離、產(chǎn)生新的傳導(dǎo)電子；但因電子能量大于W1 的概率很低,所以傳導(dǎo)電子不斷增多的過程很難出現(xiàn)，固體電介質(zhì)不會擊穿。,A 、B 與 W的關(guān)系 E2 Ec E1,晶格溫度T為定值,介電強度:處于臨界狀態(tài)的Ec 即為固體電介質(zhì)的介電強度,A:單位時間內(nèi)這些電子取得的能量 B:單位時間內(nèi)傳導(dǎo)電子失去的能量 E:電場強度 W:電子本身能量 T:晶格溫度,2）電擊穿的過程,110,3）擊穿場強,多發(fā)生在溫度較低、電壓作用時間較短時，純凈、均勻固體電介質(zhì)中。,當(dāng)電場上升到使平衡破壞時，碰撞電離過程便立即發(fā)生。把這一起始場強作為介質(zhì)電擊穿場強的理論即為本征擊穿理論.,A.本征電擊穿理論,本征電擊穿場強，隨溫度升高而降低。,,溫度,111,1）“雪崩”電擊穿理論以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定數(shù)值（足以破壞介質(zhì)絕緣狀態(tài)）作為電擊穿判據(jù)。 2）Seitz提出以電子“崩”傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞介質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)。,B. “雪崩”電擊穿理論,電擊穿判據(jù)：,本征擊穿理論中增加導(dǎo)電電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的，而“雪崩”擊穿是考慮到高場強時，導(dǎo)電電子倍增過程逐漸達到難以忍受的程度，最終介質(zhì)晶格破壞。,“雪崩”電擊穿和本征電擊穿在理論上有明顯的區(qū)別：,112,“四十代理論”,從陰極出發(fā)的電子，一方面進行“雪崩”倍增；另一方面向陽極運動。,由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運動的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達到40次，介質(zhì)便擊穿。一般用來說明“雪崩”擊穿的形成，并稱之為“四十代理論”。 由“四十代理論”可以推斷，當(dāng)介質(zhì)很薄時，碰撞電離不足以發(fā)展到四十代，電子崩已進入陽極復(fù)合，此時介質(zhì)不能擊穿，即這時的介質(zhì)擊穿場強將要提高。,113,在電場、溫度等因素作用下，固體電介質(zhì)因緩慢的化學(xué)變化，而引起其電氣性能逐漸劣化，最終由絕緣狀態(tài)突變?yōu)榱紝?dǎo)體狀態(tài)的過程。,（三）電化學(xué)擊穿,包括兩部分：因固體電介質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化而引起的電介質(zhì)老化； 與老化有關(guān)的擊穿過程。,2）電化學(xué)擊穿過程,1）電化學(xué)擊穿本質(zhì),電介質(zhì)中強電場產(chǎn)生的電流在例如高溫等某些條件下可以引起電化學(xué)反應(yīng)。,114,1）直流電壓下， 固體電介質(zhì)因離子電導(dǎo)而發(fā)生電解，結(jié)果在電極附近形成導(dǎo)電的金屬樹狀物，甚至從一個電極伸展到另一個電極。結(jié)果在兩電極間構(gòu)成導(dǎo)電的通路 2）在電場作用下，固體電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡中， 或不同固體電介質(zhì)之間的氣隙或油隙中，會發(fā)生局部放電，造成局部電導(dǎo)增加而出現(xiàn)局部擊穿，并逐漸擴展成完全擊穿。,化學(xué)老化擊穿過程,與離子電導(dǎo)陶瓷的電化學(xué)老化的異同？,溫度越高，電壓作用時間越長，化學(xué)形成的擊穿也越容易發(fā)生。,,溫度,,,E,,,,,e,e,e,115,(1)陽離子-陽離子電導(dǎo) 參加導(dǎo)電的為陽離子。同時電極的Ag+也能參與漏導(dǎo)。最后兩種離子在陰極處都被電子中和，形成新物質(zhì)。 (2)陰離子-陽離子電導(dǎo) 參加導(dǎo)電的既有正離子，也有負(fù)離子。它們分別在陰極、陽極被中和，形成新物質(zhì)。,離子陶瓷材料的電化學(xué)老化現(xiàn)象,指在電場作用下，由于化學(xué)變化引起材料電性能不可逆的惡化。,電化學(xué)老化的原因,離子在電極附近發(fā)生氧化還原過程,116,(3)電子-陽離于電導(dǎo) 參加導(dǎo)電的為一種陽離子，還有電子。例如含鈦陶瓷，陽離子Ti 4+發(fā)生電還原過程 Ti 4+ + e → Ti 3+ (4)電子-陰離子電導(dǎo) 參加導(dǎo)電的為一種陰離子，還有電子。例如TiO2在高溫下發(fā)生缺氧過程，在高溫下，氧離子在陽極放出氧氣和電子，在陰極Ti 4+被還原成Ti 3+ 陰極 4 Ti 4+ + 4e → 4 Ti 3+ 陽極 2O 2- → O2 ↑ + 4e,介質(zhì)中的離子至少有一種參加電導(dǎo)。如果電導(dǎo)純屬電子，則電化學(xué)者化不可能發(fā)生。,電化學(xué)老化的必要條件,117,同一種電介質(zhì)中發(fā)生何種形式的擊穿，取決于不同的外界因素。隨著擊穿過程中固固體電介質(zhì)內(nèi)部的變化，擊穿過程可以從一種形式轉(zhuǎn)為另一種形式。,三、影響擊穿的因素,,溫度,118,根據(jù)固體電介質(zhì)的擊穿形式及影響擊穿電壓的因素，提高固體電介質(zhì)擊穿電壓的主要措施有： 改善電場電場分布，如電極邊緣的固體電介質(zhì)表面涂半導(dǎo)電漆； 調(diào)整多層絕緣中各層電介質(zhì)所承受的電壓； 對多孔性、纖維性材料晶干燥后浸油、浸漆。以防止吸潮，提高局部放電起始電壓； 加強冷卻，提高熱擊穿電壓； 改善環(huán)境條件，防止高溫，避免潮氣﹑臭氧等有害物質(zhì)的侵蝕。,四、提高擊穿電壓措施,119,一、鐵電體，鐵電體的特點 二、鐵電體的居里外斯定律 三、鐵電性的特點,本節(jié)內(nèi)容：,復(fù)習(xí)：,1、介電擊穿的類型 2、影響介電擊穿的因素,4.4鐵電性,120,1）鐵電體是非線性介質(zhì),即極化強度和外施電壓的關(guān)系是非線性的。,一、鐵電體,沒有外加電場時，介質(zhì)的極化強度等于零。有外電場時，介質(zhì)的極化強度與宏觀電場E成正比。,備注：線性介質(zhì),是一類特殊的電介質(zhì)材料，在一定溫度范圍內(nèi)含有能自發(fā)極化，并且發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體。,1、鐵電體的特點,121,即其極化狀態(tài)并非由外電場所引起，而是由晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點所引起，晶體中每個晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩。,2）鐵電體是極性晶體,注意：鐵電晶體一定是極性晶體，但并非所有的極性晶體都是鐵電體,122,3）鐵電體的極化是自發(fā)極化,第二類是有序—無序型，其自發(fā)極化同個別離子的有序化相聯(lián)系； 典型的有序—無序型晶體是含有氫鍵的晶體，這類晶體中質(zhì)子的有序化運動引起自發(fā)極化，例如KH2PO4晶體，該晶體具有鐵電體的特征。,A.按相轉(zhuǎn)變的自發(fā)極化機構(gòu)鐵電體分兩類 ：,第一類是位移型，其自發(fā)極化同一類離子的亞點陣相對于另一類亞點陣的整體位移相聯(lián)系。 位移型鐵電體的結(jié)構(gòu)大多同鈣鈦礦結(jié)構(gòu)及鈦鐵礦結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。鈦酸鋇是典型的鈣鈦礦型的鐵電體。,123,鐵電體,124,例1：由位移引起的自發(fā)極化,自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了偶極矩，偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，同時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。,鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),其自發(fā)極化的出現(xiàn)主要是晶體中原子（離子）位置變化的結(jié)果。,B.鐵電體的自發(fā)極化的機制,125,極化前晶體結(jié)構(gòu)： 等軸晶系（大于120oC） ： 晶胞常數(shù)：a=4.01A 氧離子的半徑：1.32A 鈦離子的半徑： 0.64 鈦離子處于氧八面體中， 兩個氧離子間的空隙為：4.01－2 1.32= 1.37 鈦離子的直徑：2 0.64= 1.28,鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),自發(fā)極化過程： 氧八面體空腔體積大于鈦離子體積，給鈦離子位移的余地。 較高溫度時，熱振動能比較大，鈦離子難于在偏離中心的某一個位置上固定下來，接近六個氧離子的幾率相等，晶體保持高的對稱性，自發(fā)極化為零。,126,溫度降低到120℃，低于距離溫度，鈦離子平均熱振動能降低，因熱漲落，熱振動能特別低的離子占很大比例，其能量不足以克服氧離子電場作用，有可能向某一個氧離子靠近，在新平衡位置上固定下來，并使這一氧離子出現(xiàn)強烈極化，發(fā)生自發(fā)極化，使晶體順著這個方向延長，晶胞發(fā)生輕微畸變，由立方變?yōu)樗姆骄w。,,,,,,,,,127,,纖鋅礦(ZnS)結(jié)構(gòu)在（010）上投影,表示晶體極性鏈的兩種方法,例2：具有極性軸或結(jié)構(gòu)本身具有自發(fā)極化的結(jié)構(gòu),固有偶極子,正電荷層與負(fù)電荷層交替排列,-,+,-,+,,,,,-,+,-,+,,,,,128,4）鐵電體具有鐵電性,在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化。 晶體的這種性質(zhì)叫鐵電性（ferroelectricity）。,當(dāng)鐵電體的晶胞自發(fā)極化而出現(xiàn)電矩時，相鄰晶胞的電矩可以同向排列形成電疇，并出現(xiàn)鐵電性； 相間反向排列而成為反鐵電性。,與鐵磁體的磁滯回線形狀類似,所以人們把這類晶體稱為鐵電體(其實晶體中并不含有鐵),129,在自發(fā)極化出現(xiàn)前的非極性晶體稱為順電性晶體。 順電性晶體與鐵電性晶體的轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵電居里點TC。 當(dāng)TTC時，鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵姕鼐€消失，這時P與E一般有線性關(guān)系P=ε0χE，并且介電常數(shù)服從居里外斯定律,C為居里常數(shù)，θ為特征溫度。 ε∞代表電子位移極化對介電常數(shù)的貢獻,二、鐵電體的居里外斯定律,居里點附近居里外斯定律為,忽略ε∞,130,指鐵電體的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以及因此而可能顯示出來的宏觀性質(zhì),電滯回線、電疇結(jié)構(gòu)、自發(fā)極化以及相應(yīng)的晶胞形變（自發(fā)應(yīng)變）、居里點、居里外斯定律等。,（一）鐵電性幾個重要特征,1、鐵電疇,鐵電體自發(fā)極化的方向不相同，但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化方向相同，這個小區(qū)域就稱為鐵電疇(ferroelectric domains)。 兩疇之間的界壁稱為疇壁。若兩個電疇的自發(fā)極化方向互成90 ，則其疇壁叫90 疇壁。此外，還有180 疇壁等。,三、鐵電體的鐵電性,180 和 90 疇,1）鐵電疇的形成,131,與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。BaTiO３的鐵電相晶體結(jié)構(gòu)有四方、斜方、菱形三種晶系，它們的自發(fā)極化方向分別沿［001］，［011］，［111］方向，這樣，除了90和180疇壁外，在斜方晶系中還有60和120疇壁，在菱形晶系中還有71，109疇壁。,2）電疇取向,132,無外加電場時，電疇在晶體中分布雜亂無章，使整個晶體表現(xiàn)為電中性，宏觀上無極性。 外電場作用時，沿電場方向極化疇長大，逆電場方向的疇消失，其它方向分布的電疇轉(zhuǎn)到電場方向，極化強度隨外加電場的增加而增加，一直到整個結(jié)晶體成為一個單一的極化疇為止。 如再繼續(xù)增加電場只有電子與離子的極化效應(yīng)，和一般電介質(zhì)一樣。,3） 電疇運動-極化過程,電疇運動是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展以及疇壁的移動來實現(xiàn)的。,133,鐵電電滯回線(Ps為自發(fā)極化強度，Ec為矯頑力）,電滯回線是鐵電態(tài)的一個標(biāo)志,鐵電體是電介質(zhì)材料中一個很重要的分支，它是一種特殊相變的產(chǎn)物。 在從高對稱性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛯ΨQ性的過程中，伴隨著發(fā)生自發(fā)極化或亞點陣極化。,1）電滯回線的形成,鐵電體微觀結(jié)構(gòu)的特點決定了它有許多特殊的宏觀性質(zhì)，從而區(qū)別于普通電介質(zhì)。,2、鐵電體的電滯回線,鐵電體的電滯回線是鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述。,134,沿電場方向的電疇擴展，變大；而與電場反平行方向的電疇則變小。極化強度隨外電場增加而增加，如圖中oA段曲線。 電場強度繼續(xù)增大，最后晶體電疇方向都趨于電場方向，類似于單疇，極化強度達到飽和，這相當(dāng)于圖中C附近的部分。,鐵電電滯回線,A.施加電場,135,自發(fā)極化強度Ps ：鐵電晶體晶胞中的電偶極矩是電介質(zhì)在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體時自發(fā)出現(xiàn)的, 其數(shù)值為一定值。這個數(shù)值除以晶胞的體積所得到的商稱為自發(fā)極化強度PS。,再增加電場，P與E成線性關(guān)系(類似于單個彈性偶極子)。將這線性部分外推至E=0時的情況，此時在縱軸P上的截距稱為自發(fā)極化強度Ps。,自發(fā)極化強度Ps,136,B.去電場過程,晶體的極化強度亦隨之減小,在零電場處，仍存在剩余極化強度Pr。,剩余極化：90電疇的轉(zhuǎn)向是不充分的，而且，由于轉(zhuǎn)向時引起較大內(nèi)應(yīng)力，所以這種轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。當(dāng)外加電場撤去后，則有小部分電疇偏離極化方向，恢復(fù)原位，大部分電疇則停留在新轉(zhuǎn)向的極化方向上，這叫剩余極化。 一般在外電場作用下，180 疇轉(zhuǎn)向比較充分, 比較穩(wěn)定。,剩余極化強度Pr：,137,反向電場繼續(xù)增大，極化強度才開始反向。,C.施加反向電場,矯頑力Ec,達到一值Ec，剩余極化全部消失。,Ec常稱為矯頑電場強度，如果它大于晶體的擊穿場強，那么在極化強度反向前，晶體就被擊穿，則不能說該晶體具有鐵電性。,由于極化的非線性，鐵電體的介電常數(shù)不是常數(shù)。一般以O(shè)A在原點的斜率來代表介電常數(shù)。,138,a）極化溫度的影響 極化溫度較高的，其電滯回線形狀比較細(xì)長。因為溫度高時電疇運動容易，因而矯頑力和達到飽和極化強度需