武汉理工大学：《材料物理学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六章 电介质物理 6.3 变动电场中电介质行为及介质损耗 6.4 极化弛豫 6.5 动态介电系数

第六章电介质物理 本章提要 本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究, 着重介绍如下内容:电介质的极化响应;电介 质中的电荷转移,电介质的电导、损耗及击穿 特性;复介电常数和介电谱的实验研究,以进 步了解电介质的最基本的物理性质—介电 性,以及进而了解电介质的分子结构和极化机 理

第六章 电介质物理 本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究, 着重介绍如下内容：电介质的极化响应；电介 质中的电荷转移，电介质的电导、损耗及击穿 特性；复介电常数和介电谱的实验研究，以进 一步了解电介质的最基本的物理性质——介电 性，以及进而了解电介质的分子结构和极化机 理。 本章提要

第六章电介质物理 6.1概述 2个学时 62静电场中的电介质行为 63变动电场中电介质行为及介质损耗 64极化弛豫 个学时 65动态介电系数 6.6固体电介质的电导与击穿 2个学时 67复介电常数和介电谱的实验研究2个学时

第六章 电介质物理 6.1概述 6.2静电场中的电介质行为 6.3变动电场中电介质行为及介质损耗 6.4极化弛豫 6.5动态介电系数 6.6固体电介质的电导与击穿 6.7复介电常数和介电谱的实验研究 2个学时 2个学时 2个学时 2个学时

63变动电场中电介质行为及介质损耗 本节将介绍在变动电场中电介质的行为。如 电场不断地改变,介质内的极化也就要不断 地改变。电场改变相当迅速时,极化就会追 随不及而滞后。实际上介质中的多种极化是 一些弛豫过程,从初态到末态要经历或长或 短的弛豫时间。介质极化的这种弛豫。在变 动电场中就引起介质损耗,并且使动态介电 常数和静态介电常数不同

本节将介绍在变动电场中电介质的行为。如 电场不断地改变，介质内的极化也就要不断 地改变。电场改变相当迅速时，极化就会追 随不及而滞后。实际上介质中的多种极化是 一些弛豫过程，从初态到末态要经历或长或 短的弛豫时间。介质极化的这种弛豫．在变 动电场中就引起介质损耗，并且使动态介电 常数和静态介电常数不同。 6.3变动电场中电介质行为及介质损耗

对于理想的电容器(真空电容器),当充电至 某电压Vo之后使电源移去,它将保持其电荷Q CVo,其中是电容量。设把交变电压 v=vo coS(wt) 加于理想电容器上,则当电压下 降时,电源从电容器上得到在数量上等于电 压上升时交给电容器的电荷,而同电压的角 频率ω无关。换句话说,在交变电压作用下 ,理想电容器中的电流超前于电压一个相角 π/2,亦即电容器中的介质不吸收功率, 没有损耗

加于理想电容器上，则当电压下 降时，电源从电容器上得到在数量上等于电 压上升时交给电容器的电荷，而同电压的角 频率ω无关。换句话说，在交变电压作用下 ，理想电容器中的电流超前于电压一个相角 π／2，亦即电容器中的介质不吸收功率， 没有损耗。 对于理想的电容器(真空电容器)，当充电至 某电压Vo之后使电源移去，它将保持其电荷Q ＝CVo，其中C是电容量。设把交变电压 cos( ) v = v0 wt

实际的电介质总多少有些损耗。这损耗可用实 际电容器的电流落后于理想电容器电流的相角 6来代表。设以ψ表示实际电容器的电流较之 电压超前的位相角(ψ<T/2).则

实际的电介质总多少有些损耗。这损耗可用实 际电容器的电流落后于理想电容器电流的相角 δ来代表。设以ψ表示实际电容器的电流较之 电压超前的位相角(ψ＜π／2)．则    = − 2

虚轴A 实际介质 理想介质 2 at 实轴 图64电容器中介质损耗对电流与电压 位相关系的影响

图6.4电容器中介质损耗对电流与电压 位相关系的影响

实际电容器上的电流l超前于电压的位相角ψ 恒小于π/2,故可将电流分为两个分量,其 l1恰好超前电压T/2,而另一分量2则与电压 同相。对于理想电容器c加一交变电压V= Vexp(iut时,充电电流为 =icv=wcvOexp i wt dt 此充电电流正好超前于电压π/2,相当于实际 电容器中的1这部分电流不损耗功率,称为 无功电流

实际电容器上的电流I超前于电压的位相角ψ 恒小于π／2，故可将电流I分为两个分量，其 I1恰好超前电压π／2，而另一分量I2则与电压 同相。对于理想电容器C加一交变电压V＝ V0 exp(iωt)时，充电电流为 此充电电流正好超前于电压π/2，相当于实际 电容器中的I1， 这部分电流不损耗功率，称为 无功电流。             = = = + 2 0exp  iwcv wcv i wt dt dQ Ie

实际电容器中与电压同相的电流l2,是消耗功 率的,亦称之为有功电流。这部分电流可写成 l,=g1 式中g称为介质的电导。这个电导不一定代表 直流电导(由载流子的迁移决定).而是代表介 质中存在有损耗机构,使电容器上的能量部分 地消耗为热的物理过程

实际电容器中与电压同相的电流I2，是消耗功 率的，亦称之为有功电流。这部分电流可写成 式中g称为介质的电导。这个电导不一定代表 直流电导(由载流子的迁移决定)．而是代表介 质中存在有损耗机构，使电容器上的能量部分 地消耗为热的物理过程。 I = gv 2

通过实际电容器上的电流应为 1,+I,=iwc+y 如电压矢量同实轴一致。则损耗因子为 tan 8-8 WC WC R R为介质的电阻

R为介质的电阻。 通过实际电容器上的电流应为 如电压矢量同实轴一致．则损耗因子为 I = I 1 + I 2 = (iwc + g)V wc wcR g 1 tan  = =

现在来考虑,在交变电场E=E0cot作用下 的介电常数E。这时电位移D与电场E的相位不 同,存在着位相差δ,即 D=D cos(wt-0)=D cos wt+D,sin wt 式中D1=DCosδ; D=d s

现在来考虑，在交变电场E＝E0 cosωt作用下 的介电常数ε。 这时电位移D与电场E的相位不 同，存在着位相差δ，即 D D cos(wt ) D coswt D sin wt = 0 − = 1 + 2 式中 D1 = D0 Cos ; D2 = D0 Sin