《介电性能》PPT课件.ppt
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1、Inner Mongolia University of TechnologyCollege of Materials Science and Engineering内蒙古工业大学材料科学与工程学院Yanhua HuEmail: 材料的介电性能 介电材料,又称电介质,介电材料,又称电介质,是电的绝缘材是电的绝缘材料,主要用于制造电容器。料,主要用于制造电容器。3.1电介质及其极化电介质及其极化1.电容电容,两个邻近导体加上,两个邻近导体加上电压后具有储存电荷的能电压后具有储存电荷的能力的度量。力的度量。C(F)=Q(C)/V(V)表征的是电容器容纳电荷表征的是电容器容纳电荷的本领。的本领。2.
2、介电率及介电常数介电率及介电常数(1)材料因素)材料因素,材料在电场中被极化的能力。材料在电场中被极化的能力。(2)尺寸因素)尺寸因素,d和和A,平板间的距离和面积。,平板间的距离和面积。如果介电介质为真空,如果介电介质为真空,真空介电常数:真空介电常数:相对介电常数:相对介电常数:3.电介质的极化电介质的极化介电材料:介电材料:放在平板电容器中增加电容的材料放在平板电容器中增加电容的材料电介质:电介质:在电场作用下能建立极化的物质。在电场作用下能建立极化的物质。感应电荷(束缚电荷):感应电荷(束缚电荷):在真空平板电容器中嵌入在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外电场时,在整机附近的介质表面
3、一块电解质加入外电场时,在整机附近的介质表面感应出的负电荷,负极板附件的介质表面感应出的感应出的负电荷,负极板附件的介质表面感应出的正电荷。正电荷。-+-+束缚电荷形成新的电场,该电场与外加电场的方向束缚电荷形成新的电场,该电场与外加电场的方向相反相反-退极化场退极化场Ed。宏观电场:宏观电场:E宏宏=E0+Ed极化:极化:电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化电荷:极化电荷:电介质在外电场的作用下,在和外电场相垂电介质在外电场的作用下,在和外电场相垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自由移动
4、,也不能离开,总保持中性。由移动,也不能离开,总保持中性。4.极化的相关物理量极化的相关物理量(1)电解质的分类:)电解质的分类:极性分子电解质和非极性分子极性分子电解质和非极性分子电解质电解质-分子的正负电荷统计重心是否重合,是否分子的正负电荷统计重心是否重合,是否有点偶极子?有点偶极子?Q:所含电量;:所含电量;l:正负电荷重心距离:正负电荷重心距离电介质在外电场作用下,无极性分子的正负电荷重电介质在外电场作用下,无极性分子的正负电荷重心重合将产生分离,产生电偶极矩。心重合将产生分离,产生电偶极矩。据分子的电结构,电介质可分为:据分子的电结构,电介质可分为:极性分子电介质:极性分子电介质:
5、H2O;CO(有)(有)非极性分子电介质:非极性分子电介质:CH4;He(2 2)电极化强度()电极化强度(P P):电解质极化程度的量度电解质极化程度的量度(C/mC/m2 2).P=/V:电介质中所有电偶极矩的矢量和:电介质中所有电偶极矩的矢量和V:所有电偶极矩所在空间的体积所有电偶极矩所在空间的体积资料表明,电极化强度和电介质所处的实际有效电资料表明,电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比,即场成正比,即P=XP=X0 00 0E EX X0 0:电极化率:电极化率 0 0:真空介电常数:真空介电常数 E E:电场强度:电场强度电解质的极化机制,电解质的极化机制,电介质在外加电场作用
6、下的宏电介质在外加电场作用下的宏观极化强度,实际上是电介质微观上各种极化机制观极化强度,实际上是电介质微观上各种极化机制共同作用的结果:电子极化、离子极化、电偶极子共同作用的结果:电子极化、离子极化、电偶极子取向极化、空间电荷极化等。取向极化、空间电荷极化等。实际电场作用下的电极化强度实际电场作用下的电极化强度P P可表示为克劳修斯可表示为克劳修斯莫莫索堤方程索堤方程:即电介质在所有偶极矩的总和,即:即电介质在所有偶极矩的总和,即:P=NiiNi:第:第i种偶极子数目;种偶极子数目;i:第:第i种偶极子平均偶极矩种偶极子平均偶极矩电介质在电场中的破坏电介质在电场中的破坏1.1.介质的击穿:介质
7、的击穿:当电场强度超过某一临界值时,介质当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,该现象成为介电强度的破由介电状态变为导电状态,该现象成为介电强度的破坏,或介质的击穿坏,或介质的击穿。2.2.击穿电场强度:介质击穿时,相应的临界电场强度击穿电场强度:介质击穿时,相应的临界电场强度称为介质强度,或击穿电场强度。称为介质强度,或击穿电场强度。注,介电强度,注,介电强度,一种介电材料在不发生击穿或者放电一种介电材料在不发生击穿或者放电的情况下承受的最大电场。的情况下承受的最大电场。介电强度依赖于材料的厚度,厚度减小,介电强度增介电强度依赖于材料的厚度,厚度减小,介电强度增加;介电强度还
8、与环境温度和气氛、电极形状、材料加;介电强度还与环境温度和气氛、电极形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体表面状态、电场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体各向异性、非晶体结构等因素有关。各向异性、非晶体结构等因素有关。电击穿电击穿1.电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿,电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿,由此产生点坑、孔洞和通道并连通;由此产生点坑、孔洞和通道并连通;2.击穿发生于材料的表面,通过表面水分击穿发生于材料的表面,通过表面水分或污染杂质增加了击穿的可能性;或污染杂质增加了击穿的可能性;3.电击穿是一种集体现象,能量通过其它电击穿是一种集体现象,能量通过其它粒子(例如
9、,已经从电场中获得了足够能粒子(例如,已经从电场中获得了足够能量的电子和离子)传送到被击穿的组分中量的电子和离子)传送到被击穿的组分中的原理或分子上。的原理或分子上。压电性压电性电介质作为材料,主要用于电子工程中的绝缘电介质作为材料,主要用于电子工程中的绝缘材料、电容器材料和封装材料材料、电容器材料和封装材料应用的是电介应用的是电介质的共性性质。质的共性性质。电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探测等领域测等领域电介质的三种特殊性质,即压电性、电介质的三种特殊性质,即压电性、热释电性、铁电性。热释电性、铁电性。正压电效应实验正压电效应实验1880年,年
10、,Piere兄弟实验发现,兄弟实验发现,对对-石英单晶石英单晶体在一定方向体在一定方向上加力,则在上加力,则在力的垂直方向力的垂直方向出现正负束缚出现正负束缚电荷电荷压电效压电效应。应。具有压电效应具有压电效应的物体的物体压电压电体。体。正压电效应:正压电效应:是机械能转换成电能的过程是机械能转换成电能的过程即当晶体受到一定的机械力作用时,一定即当晶体受到一定的机械力作用时,一定方向的表面产生数量相等、符号相反的束方向的表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷。作用力反向时,表面电荷性质亦缚电荷。作用力反向时,表面电荷性质亦反号。反号。电荷密度大小与所加应力的大小成线性关电荷密度大小与所加应力的大
11、小成线性关系。系。-用于传感测力用于传感测力逆压电效应逆压电效应:当晶体在外加电场作用下,晶体的当晶体在外加电场作用下,晶体的某些方向产生形变或谐振现象,形变与电场强某些方向产生形变或谐振现象,形变与电场强度成正比。度成正比。电致伸缩:电致伸缩:任何电介质在外电场作用下,会发任何电介质在外电场作用下,会发生尺寸变化,产生应变。其大小与所加电压平生尺寸变化,产生应变。其大小与所加电压平方成正比。方成正比。如,电致伸缩陶瓷(锌铌酸铅陶瓷)如,电致伸缩陶瓷(锌铌酸铅陶瓷)对于一般电介质,电致伸缩效应所产生的应变对于一般电介质,电致伸缩效应所产生的应变实在太小,可以忽略实在太小,可以忽略石英晶体的化学
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