无机材料的介电性能

1、6.1 概论,电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。 陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。 电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。 目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围,无机材料与有机塑料比较： 有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变

2、或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下，塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可缺少的部分,极板上自由电荷密度： Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E-两极板间自由电荷形成的电场，也即宏观电场） 介电材料存在时极板上电荷密度D:等于自由电荷密度与束缚电荷密度之和： 由： r= (Qo+ Q1 )/Qo 得：r Qo /A = (Qo+ Q1 )/A 有： r o E = (Qo+ Q1 )/A= D D= o E+P= o r E = 1 E (l-绝对介电常数） P= (1 o)E = o ( r- 1) E 电介质的电极化

3、率e：束缚电荷和自由电荷的比例： e=P/ oE= (r-1 ) 得： P= o eE（作用物理量与感应物理量间的关系,根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电荷上的P方向分力dF： dF= （PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsin rd)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o,E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所

4、有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，则E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o,克劳修斯-莫索蒂方程的意义： 建立了可测物理量 r （宏观量）与质点极化率（微观量）之间的关系。 克劳修斯-莫索蒂方程的适用范围： 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。 从克劳修斯-莫索蒂方程：讨论高介电常数的质点： （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大 介质中质点极化率大，极化介质中极化质点数多，则介质具有高介电常数,正离子受到的弹性恢复力：-k(x+x-) 负离子受到的弹性恢复力：

5、 -k(x- x+) 运动方程： M+a= -k(x+x-)+qEoe it M-a=-k(x- x+)+qEoe it 得： M*=M+M-/(M+M-) 弹性振子的固有频率 ： o=(k/M*)1/2 离子位移极化率： e =1/(o2 2)q2/M* 0 静态极化率： i =q2/M* o2= q2 k,离子松弛极化率： T =q2x2/12kT 温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。 离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数,各种极化形式的比较,金红石型晶体的内建电场结构系数,分析： C11和C22均为负值，说明同种离子之间都有削弱外电场的作用。 C21和C12均为正值，说明异种离子之间都有加强外电场的作用，且值相当的大，其结果使氧离子和钛离子的极化加强，这种加强远远超过同种离子间的削弱，最终使晶体介电常数加大,介电常数的温度系数的确定： 根据用途，对其有不同的要求： 要求为正：滤波旁路和隔直流的电容器； 要求为负：热补偿电容器 接近于零：要求电容量热稳定性高和高精度的电子仪器中的电容器。 目前的发展方向：介电常数的温度系数接近于零，高的介电常数