TK 1 d dT
各种极化的温度系数：
电子位移极化的温度系数： 具有不大的负温度系数 离子位移极化的温度系数：具有正的温度系数 松弛极化的温度系数：可能出现极大值
24
当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质 的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数 可由定义式微分得到，即：
TK x1TK1 x2TK 2
16
① 极化能力的表征 ——介电常数
定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的
电容量C0的比值为该电介质的相对介电常数：
r
C
C0


0


D E
r

D
E 0

D ：介质中的电位移，仅与自由电荷的密度有关； E ：介质中的总电场强度，与自由电荷密度和介质表面的束缚电荷密度都有关。
14
电介质=绝缘体?
物质对电场的两种响应方式：传导和极化。 传导性：绝缘体、半导体与导体； 极化特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体、 热释电体等电介质。
绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。 半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场 的响应中传导效应远远超过了极化效应。
15
的介质，有效电场与外电场的关系为：
Ee

r
3
2
E
在离子晶体中，Ee与离子种类、晶体结构等有关。
29
影响介电常数的宏观因素：
宏观量：温度 T 频率 f
r
1
n 0Ee 0E
微观量：单位体积内的极化粒子数n0
极化率α
有效电场Ee
Ee：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介 质与外电场有关；在离子晶体中，与离子种类、晶 体结构等有关。
缓慢极化需要经过一段时间才能达到 相应电场下的最大极化值；
V 若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为
μ
，则有：
对于线性极化，μ
P n0μ
与电场强度成正比，有：

μ Ee
Ee ：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；
：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。
P n0 Ee
26
原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3
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。
5
二、极化的微观机制
（1）无极分子： 正负电荷重心重合， u分子 0
位移极化

+-
E0
感应偶极矩
例如， He、H2、 N2、 CO2 、CH4等。
6.1
110
2000
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 104
巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~105
19
②复介电常数
恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数
为一恒定值。
对于真空中的平板电容器，在其上加一个交变电压， 则电极上出现电荷（该电荷与外电压同相）
Q C0U C0U0eit
四、电介质的物理性质
电介质材料的三个基本参数： 介电常数、介电损耗、介电强度
1. 介电常数
介电性： 将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极
之间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空 为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电 性。 介电常数：用来表示材料介电性的大小的参数。
S Q' d
εr

Q0 Q' Q0
1
Q' Q0
C0

Q0 U
C0

ε0 S d
28
影响介电常数的微观因素：
提高单位体积内的极化粒子数n0；
r
1
n 0Ee 0E
选取极化率α 大的粒子组成电介质；
增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。
对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序
静电感应现象
什么是极化？ 在电场作用下，
电介质中束缚着的 电荷发生位移或者 极性按电场方向转 动的现象
4
二、极化的微观机制
1 电介质－是由大量电中性的分子组成。 紧束缚的正、负电荷在外电场中要发生变化。
2 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。
第九章-电介质材料
1
电介质基本物理性能（重点）
一、简介 二、电介质分类 三、极化类型 四、电介质的物理性质
2
一、简 介
电介质材料定义： 在电场作用下，能建立极化的一切物质。
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。
电介质的主要性能： 介电常数、介电损耗因子、介电强度。
3
一、简 介
比位移极化移动较大距离，建立的时间较慢，约为10-2 s；
移动时需克服一定的势垒，需吸收一定的能量，是非可逆 的过程； 离子松弛极化率与温度成反比；热运动越剧烈对弱离子规 则运动阻碍越大。
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。
11
(5). 空间电荷极化
在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、 晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电 子运动的障碍；
介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值
越大，极化能力越强。 电容器介质的介电常数越大，电容器存储电荷的能
力越强。
17
① 极化能力的表征 ——介电常数 电介质提高电容量的原因：
由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性 电荷，它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了 这部分电荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。 结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多， 束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸 可 减小。
随温度变化 有 有极大值
随温度升高 有

而减小
13
电介质定义的解析：
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过，而以 感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称。
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极 化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中 起主要作用的是束缚电荷。
物质对电场的响应分为： 传导（自由电荷的长程移动） 感应（束缚电荷的短程运动）
8
3、偶极子转向极化
E0
受到分子热运动的无序化作用、电场的有序作用 和分子间的相互作用，建立时间较长。 非弹性的、随温度的升高而下降、响应时间较长
9
3、偶极子转向极化
10
4、松弛（弛豫）极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。
松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱， 电场力 使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。
（2）有极分子：正负电荷重心不重合， u分子 0
+-
E0
固有偶极矩
取向极化
++-
+-
例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。
6
三、极化的类型
电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化、
松弛极化、空间电荷极化等
1、电子位移极化
电场作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生 位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。存 在于一切介质中。
应用：热稳定陶瓷电容器
用一种TKε值为很小正值的晶体作为主晶体，加入 另一种具有负TKε值的晶体。调节TKε到最小值。
25
⑤介质极化强度和极化率
极化强度矢量 ，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：
P lim i
V 0 V
单位为：C/m2
若介质中的电场是均匀的，则有： P i
平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀
极化时，整个电介质总的感应偶极矩： μ Q' d
U
极化强度：
P Q'd Q' Sd S

r
-1Q0

r
-1UC0

r
-1U 0
S d
S
S
S
P r -10E P n0Ee

r
1
n 0Ee 0E
空间电荷 极化
极化的电 介质种类 一切陶瓷
离子结构
离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
结构不均 匀的材料
极化的频 率范围
直流—— 光频
直流—— 红外
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 高频
与温度的关 能量消耗 系
无关
无
温度升高极 很弱 化增强
随温度变化 有 有极大值
随温度变化 有 有极大值
电子位移极化和离子位移极化建立的时间极短，可以与可见光的周期相比拟， 在远低于光频的无线电频率范围，这两种极化可以看成是即时的，称为瞬时极化。
瞬时极化与交变电场完全同步，
其极化强度与电场间没有相位差。
+
偶极子取向极化、离子松弛极化、空间电荷极化和自发极化建立的时间较长， 称为缓慢极化，也称弛豫极化。
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②复介电常数
由于： G S d
C S d
故电流密度为： j (i )E
另：电流密度 可收可表示为：
j i *E
故可定义复介电常数： * * i
i

损耗角定义为：
tan

损耗项 电容项


iC0U
U