第六章. 电介质材料
绝缘体是指能够承受较强电场的电介质材料，而电介 质除了绝缘特性而外。主要是指在较弱电场下具有极化能 力并能在其中长期存在电场的一种物质。与金属不同，材 料内部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在 束缚电荷、即通过极化过程来传递和记录电子信息，与此 同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介质能够 以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但 在介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到 其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。我们称 它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由电荷 能用传导方法将其引走。
在外电场中，出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化。
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主要内容
空气的相对介电常数1.00059( 0oC，1atm） 上述实验表明：插入电介质后 两极板间电压减少，说明其间 电场减弱了。电容增大了。
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电场减弱的原因可用电介质与外电场 的相互影响，从微观结构上来解释。
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电介质的分子
①无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。 例如，CO2 ,H2 ,N2 , O2 , He ②有极分子（Polar molecule） 在无外场作用下存在固有电矩 例如，H2O, HCl ,CO, SO2 因无序排列对外不呈现电性。
需要前期知识： 恒定电场中电介质的极化过程，共中包括电介质的介电系数、 有效电场的概念、电介质的极化类型等；恒定电场中的电介质电 导特性，其中包括电导的物理现象、表示电导的物理参数等；交 变电场中的电介质损耗，以及强电场中的电介质击穿等内容。
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电介质
导体中有许多可以自由移动的电子或离子。然而也 有一类物质电子被束缚在自身所属的原子核周围或夹在 原子核中间，这些电子可以相互交换位置，多少活动一 些，但是不能到处移动，就是所谓的非导体或绝缘体。 绝缘体不能导电，但电场可以在其中存在，并且在电学 中起着重要的作用。
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高频温度补偿介电陶瓷


在高频振荡回路中，由于电感器及电阻器 通常具有正温度系数，为了保持回路谐振 频率的稳定性，则要求电容器介质具有负 温度系数。 P223 表6.1.1温度补偿介电陶瓷的节电特性
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6.1.4 特点：1介电常数高且电话范围大，刚玉瓷ε=10, 有的ε可以达到几万 2 串联电感小，介质损耗低， 在高频段仍然有着优良的特性3 高强度和高可靠 性，耐高工作温度 4 具有高电阻率，高耐电强度 分类：低频，中频，高频及微波陶瓷 低介，中介，高介陶瓷 高频温度补偿介电陶瓷，高频温度稳定型介电陶 瓷，低频高介电系数型介电陶瓷，半导体介电陶 瓷

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
电容器介质材料 铁电材料 压电材料与热释电材料 微波陶瓷介质材料 玻璃电介质材料 有机电介质材料
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6.1 电容器介质材料




电介质材料主要分为两类。 一类是绝缘材料，如纸、玻璃、陶瓷、 云母、有机薄膜等。 另一类是铝，钽，铌等金属表面形成的介 电氧化物。Al2O3等。 电介质材料要求： 1高介电常数2低损耗正切角3高绝缘电阻 值4高的击穿电场强度
从电场这一角度看，特别地把绝缘体叫做电介质。 从电学性质看电介质的分子可分为两类：
无极分子、有极分子
从它们在电场中的行为看：有位移极化和取向极化。 2018/9/11 2 下面将逐一讨论。
电介质对电场的影响
是由大量电中性的分子 组成的绝缘体。紧束缚 的正负电荷在外场中要 发生变化。 在外电场中电介质要受到电场 的影响，同时也影响外电场。
电容量很高，可以达到法拉量级；用量很 广。 特点：1电解电容器介质并不是分离存在的 2作为电极的金属，它在电解槽中形成的氧 化膜具合单向导电性3电解电容器的另一电 极为与氧化物相接触的电解质（一般为液 体）称为阴极。 缺点：漏电流比较大，绝缘电阻比较小 “电解电容器”与“氧化物介质电容器”
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箔式铝电解电容器氧化物介质（p221）
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电子云的 正电中心
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电介质的极化：Polarization
①位移极化 Displacement polarization 位移极化 主要是电子发生位移
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②取向极化 Orientation polarization 由于热运动这种取向只能是部分的，遵守统计规律。 取向极化
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6.1.1 纸电介及其浸渍材料

使用较早，用量很大 电容量范围：470皮法到30微法 电压范围：63伏特到1500伏特（高压纸 电容器可达30-40千伏） 主要采用木质纤维为主要原料，要求质地 密实，薄厚均匀。

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电容器纸的结构和特性
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+Q –Q +Q –Q
在以平行板电容器有电介质 与无电介质时，极板上电压 的变化为例说明
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静电计测电压
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插入电介质前后两极板间的电压分别用U0、U 1 表示，它们的关系： U U0 r
r 是一个大于 1 的常数，其大小随电介质的种类
和状态的不同而不同，是电介质的特征常数称为 电介质的相对介电常数
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电容器纸的结构和特性
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电容器纸的浸渍
电容器纸中的大量空气隙由于具有较低电介质值，并成 为极性基(OH)吸附水分的储存场所，故通常采用真空浸渍方 法(将空气排除而特有机浸渍材料填隙其中)以达到改件的目的。
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6.1.3 电解电容器介质



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在外电场中的电介质分子
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无外场下，所具有的电偶极矩称为固有电偶极矩。 在外电场中产生感应电偶极矩。 无极分子只有位移极化，感生电矩的方向沿外场方向。 有极分子有上述两种极化机制,取向极化是主要的,较 位移极化约大一个数量级；而在高频下只有位移极化。
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极化电荷 Polarization charge or bound charge