《材料物理性能》课程教学课件（讲稿）第七章 材料的介电性能

第七章材料的介电性能 第一节 概论 第二节 介质的极化 第三节 介质的损耗 第四节 介电强度 第五节铁电性与压电性

第七章 材料的介电性能 第一节 概论 第二节 介质的极化 第三节 介质的损耗 第四节 介电强度 第五节 铁电性与压电性

7.1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1002·cm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，它们在电声、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

7.1 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1010Ω·cm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，它们在电声、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 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

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 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

7.2介质的极化 7.2.1极化现象及其物理量 1.具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象 H 真空 E ○自由电荷 偶极子 束缚电荷

真空 － + + + + － － － E － + + + + － － － － + + － － + + － + － + － + － + － + － + － + － + － 自由电荷 + － 偶极子 束缚电荷 1. 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象 7.2.1 极化现象及其物理量 7.2 介质的极化

2.物理量 电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子)正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子

电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。 2. 物理量

偶极子 电偶极矩μ：μ=q刚（单位：库仑·米) 电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与 外电场的方向一致。 局部电场Ec：作用在微观质点上的局部电场。 质点的极化率o:o=/Eoc,表征材料的极化能力。 介质的极化强度P:P=∑V单位介质体积内的电偶极矩 总和；或束缚电荷的面密度

电偶极矩µ ：µ=ql（单位：库仑 · 米） 电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩的方向与 外电场的方向一致。 局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。 质点的极化率α： α= µ/Eloc ，表征材料的极化能力。 介质的极化强度P：P=∑ µ/V单位介质体积内的电偶极矩 总和；或束缚电荷的面密度。 ± -q +q l E 偶极子

3介质的极化强度与宏观可测量之间的关系 单位板面上束缚电荷的数值（极化电荷密度）可以用单位 体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。 设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号 电荷±Q乘以间距d,则： P=N u/V=Q d/V=Q/A 十 + +

－ + + + + － － － － + + － － + + － + － + － + － + － + － + － + － + － 单位板面上束缚电荷的数值(极化电荷密度）可以用单位 体积材料中总的偶极矩即极化强度P来表示。 设N是体积V内偶极矩的数目，电偶极矩相等于两个异号 电荷±Q乘以间距d，则： P= N µ /V = Q d/V= Q/A － + + － － + P －Q + Q 3 介质的极化强度与宏观可测量之间的关系

两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压 成正比： Q=CV 两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1, 有： Q+Q=CV 相对介电常数ε：介电质引起电容量增加的比例。 8=C/C。=(Q。+Q1)/Q。 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

两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压 成正比： Qo=CoV 两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1， 有： Qo+ Q1 =CV 相对介电常数εr ：介电质引起电容量增加的比例 。 εr=C/Co= (Qo+ Q1 )/Qo 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

极板上自由电荷密度： Q/A=CV/A=(A/d)V/A=8E (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： 8=(Qo+Q1)/Q。 得：8-Q/A=(Q。+Q1)/A 有： 8re。E=(Q+Q1)/A=D D=e。E+P=8.8E=81E(e-绝对介电常数) P=(81-e)E=e。(er1)E 电介质的电极化率%。：束缚电荷和自由电荷的比例： Xe=P/eE=(e,-1)得：P=8。XE（作用物理量与感 应物理量间的关系)

极板上自由电荷密度： Qo/A= CoV/A=(εo A/d)V/A= εo 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： εr= (Qo+ Q1 )/Qo 得：εr Qo /A = (Qo+ Q1 )/A 有： εr εo E = (Qo+ Q1 )/A= D D= εo E+P= εo εr E = ε1 E (εl -绝对介电常数） P= (ε1－ εo)E = εo (ε r- 1) E 电介质的电极化率χe：束缚电荷和自由电荷的比例： χe=P/ εoE= (εr-1 ) 得： P= εo χeE（作用物理量与感 应物理量间的关系）

7.2.2克劳修斯-莫索蒂方程 外加电场E外（物体外部固定电荷所产生。 即极板上的所有电荷所产生) 1.宏观电场 构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 (退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生) E宏E外+E1 日 外加电场E外 → → ⊕ ④田 ⊕

7.2.2 克劳修斯-莫索蒂方程 E1 外加电场E外 外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。 即极板上的所有电荷所产生） 构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏=E外+E1 1 . 宏观电场： － + + + + － － － － + + － － + － + + + + － － －