關于電介質及其介電特性基本介電現象1第1頁，課件共32頁，創作于2023年2月21.電介質在電場作用下的主要特性電導、極化、損耗、擊穿2.

電介質的功能特性

電—機械、電—熱、電—光電—壓敏、PTC主要內容：電介質的基本介電現象第2頁，課件共32頁，創作于2023年2月31.電介質在電場作用下的主要特性電介質：在電場作用下能建立極化的一切物質。存在較強電場并可發生明顯極化現象的材料。電力線能透過的物質（法拉第1839年）。電介質物理：是研究宏觀物質中電位移運動基本規律的科學。主要研究對象是電介質中電荷的運動遷移現象以及由此產生的各種效應。主要特性：電介質在電場作用下最主要的電特性是極化和電導，以及在此基礎上產生的損耗與擊穿現象。

電介質在電場作用下的主要特性第3頁，課件共32頁，創作于2023年2月4電介質在電場作用下的主要特性特點：在直流電壓作用下有較穩定的電流通過。表征：用電阻率ρv或電導率γ來表征材料的電導特性。第4頁，課件共32頁，創作于2023年2月5電介質在電場作用下的主要特性由此可得：R—電阻，單位為歐姆（）；G—電導，（S）ρv—體電阻率，（·m）；γ—體電導率，（S/m）U—電壓（V）；E—電場強度（V/m)；j—電流密度，

(A/m2)第5頁，課件共32頁，創作于2023年2月6

電導特性是任何一種材料（無論導體、半導體、還是電介質）都具有的電學性質，并非電介質所特有。但不同材料在電導率的大小上卻相差很遠：例如：一般導體γ=109（S/m）絕緣性能良好的電介質γ=10-18（S/m）相差1027倍。導電機理有明顯區別，因此對電介質電導需作專門的討論。電介質在電場作用下的主要特性為什么？第6頁，課件共32頁，創作于2023年2月72介質極化定義：極化是電介質中束縛在分子內部或局部空間不能完全自由運動的電荷，在電場作用下產生局部的遷移而形成感應偶極矩的物理現象。是電介質特有的性質。電介質在電場作用下的主要特性電介質：在電場作用下能產生極化現象的材料。表征：單位體積電介質中形成的總感應電矩——極化強度。

在線性介質中：

x——介質極化系數，0——真空介電常數，8.854×10-12F/m

第7頁，課件共32頁，創作于2023年2月8電介質在電場作用下的主要特性

在工程技術中，通常采用比電容率（或相對介電常數）來作為介質極化的量度。比電容率是以介質充入真空電容器后，此電容器的電容量（C）與原真空電容器的電容量（C0）之比來計量。r——相對介電常數，它與0的乘積，定義為介質的介電常數由電工學可得：

第8頁，課件共32頁，創作于2023年2月9

體電阻率（v）和相對介電常數（r）是表征材料介電特性的最主要參數。它們在線性材料中是與電場強度無關的常數，當電場頻率改變時也會改變；在非線性材料以及在強電場下則還與電場強度有關。因此：r為溫度、電場頻率、電場強度的函數；v則為溫度、電場強度的函數。

電介質在電場作用下的主要特性第9頁，課件共32頁，創作于2023年2月101.3介質損耗

在交變電壓下，由于極化，使介質中

存在電容電流和電導電流。對電容器而言：希望電容電流大，而引起損耗的電導電流小。從而引入一個新的介質物理參數——介質損耗角正切tan。

電介質在電場作用下的主要特性第10頁，課件共32頁，創作于2023年2月11定義：電介質在電場作用下的主要特性

只有電導電流損耗時，tan與成倒數關系。極性介質的tan與是有峰值的曲線關系，極性介質的tan值比非極性介質的tan值大；而且tan隨的變化呈非倒數式關系，這是由于介質極化滯后所形成的損耗而引起。

因此，研究介質損耗的重點就是研究介質極化形成的動態過程中產生的損耗。第11頁，課件共32頁，創作于2023年2月12主要判據：

電介質在電場作用下的主要特性第12頁，課件共32頁，創作于2023年2月13在均勻電場下：如介質厚度d，介質擊穿電壓UB

電介質在電場作用下的主要特性EB——介質擊穿場強，描述電介質耐電壓特性的重要物理參數，它與溫度、電場形式有關。

第13頁，課件共32頁，創作于2023年2月14r，v，tan和EB作為描述絕緣介質基本特性的四大物理參數。研究四大參數與電介質材料的組成、結構、含雜等的關系，以及溫度、壓力、電場性質（頻率、波形等）的影響。研究成果廣泛用于工程領域——成為“電介質工程”。電介質在電場作用下的主要特性第14頁，課件共32頁，創作于2023年2月15電介質在電場作用下的主要特性電容器的電儲能密度W與和E2呈正比提高儲能密度可采用高ε和高E的電介質材料推動了高介電常數低介質損耗材料的研究和發展而提高介質的耐電強度則是作為電介質絕緣材料的一個最主要的共性問題。高功率脈沖電容儲能技術為例：第15頁，課件共32頁，創作于2023年2月16電介質在電場作用下的主要特性涉及的科學與技術問題：

高儲能介質的介電性能——極化、弛豫機理高耐電強度——高介電常數介質的擊穿特性結構優化——提高電容器有效儲能體積放電特性——快速、大容量、消除電感高可靠性——穩定性與壽命性能評價——測、試、分析技術第16頁，課件共32頁，創作于2023年2月17電介質的功能特性2.

電介質的功能特性

電介質除了具有上述純粹的電學特性之外，在其電性和力學性能、熱學性能、光學性能之間還存在密切相關的功能轉換特性。如：介質在電場作用下的電致伸縮效應、電壓敏效應、場致發光效應和電熱效應等，反映了介質把電能轉化為機械能、光能、熱能的功能效應。而：介質在力場作用下發生的壓電效應、在熱場作用下產生的熱釋電效應、在光照下引起的光電效應、導電性突變的PTC效應等，則為相反的功能轉換特性。這些特性的物理本質亦往往與介質的電導和極化現象有關。因此，對介質的介電和功能特性要有全面的了解。第17頁，課件共32頁，創作于2023年2月18電介質的功能特性2.1電-機械特性

當介質分子在電場作用下發生彈性位移極化時，介質會在電場的方向有一定的伸長。產生機械變形X，與電場強度的平方成正比：

所有電介質都存在的一種電-機械效應。與電場的指向無關，X、x均大于零，稱為伸長效應。鐵電體中此效應較明顯，一般介質在弱電場中不明顯。

x——電致伸縮常數第18頁，課件共32頁，創作于2023年2月19電介質的功能特性

在具有非中心對稱結構的固體電介質中，除了上述的平方效應以外還觀察到一種變形正比于電場的線性效應，即：d——壓電模數

當介質上電壓極性改變，即E變號時，機械形變X的符號亦將變號，電場可引起固體伸長或壓縮。這一類介質在弱電場下此效應明顯，不僅在電場作用下能引起機械變形，而且在力場作用下亦能引起介質極化，使介質表面帶電——“壓電效應（Piezoelectriceffect）”。

第19頁，課件共32頁，創作于2023年2月20電介質的功能特性壓電效應可以把力學信息轉化為電信息，存在于非對稱結構的固體介質中，故有：線性效應一般要比平方效應顯著非中心對稱電介質在機械應力的作用下因壓電效應，形成極化，其極化強度與應變成正比：

電-機械平方效應則無逆向的機械-電效應。在中心對稱結構的電介質中，不管怎樣的機械應力或變形都不能引起極化。

e——壓電常數第20頁，課件共32頁，創作于2023年2月21電介質的功能特性2.2電-熱效應

介質在電場作用下由于電導電流和極化吸收電流會引起發熱，其發熱量一般與E

2成正比：

此時，電能變為熱能是不可逆的，稱為電介質損耗，特別在高頻交流電場下，此發熱可變得相當明顯。

第21頁，課件共32頁，創作于2023年2月22電介質的功能特性

在一些熱釋電晶體中，不僅有平方關系的電熱效應，還同時存在線性的熱電效應：此為可逆效應。即在此種晶體加熱時往往有電荷釋放出，故稱為熱釋電效應。溫度對介質的電性能有明顯影響，其影響規律往往成為探索介質物理機理的主要實驗依據。

——電熱常數第22頁，課件共32頁，創作于2023年2月23電介質的功能特性2.3電-光效應

光本質上是一種極高頻率電磁波，當光波穿過電介質時，同樣會有介質極化和能量損耗（介質吸收）的現象。光頻極化常用光折射率n來表征。光折射率n是光在真空中的速度c與在介質中的速度之比（n=c/

）。根據麥克斯韋爾電磁波方程有：

光具有粒子性，一定頻率的光子具有能量h，它與介質相互作用將能引起介質中載流子密度和電導率的變化。光與介質的極化和電導特性都有著密切的關系。非鐵磁性介質中r1,故n2=r第23頁，課件共32頁，創作于2023年2月24電介質的功能特性

光照引起電介質電導激烈增加的現象是最廣泛的一種光電效應——光電導效應（Photoconductioneffect）。這是由于光子進入介質引起介質中束縛電子的活化，產生新的導電載流子，使介質的電導率增大。對于禁帶寬度不寬的電介質和半導體，當光子能量h>Eg（禁帶寬度）時,能引起光電動勢——光伏打效應（Photovoltaiceffect）。此時光能轉化為電能，但這種轉化效率在半導體中較強，如在硅和砷化鎵中。現在，硅材料已成為一種應用最廣泛的太陽能電池材料。某些電介質在強光照射下，亦能觀察到介電系數的變化。其本質是光引起晶體中產生了激發態的激子，而導致有附加的介質極化電矩，從而改變了r值。第24頁，課件共32頁，創作于2023年2月25電介質的功能特性

在強電場下介質中最重要的電光效應是光折射率隨電場強度的變化：

此效應可以是非線性的或線性的。

平方式效應稱為克爾效應（Kerreffect），在任何電介質中都能觀察到。線性電光效應稱為普克爾效應（PockelsEffect），只在光各向異性的晶體和液體中存在。第25頁，課件共32頁，創作于2023年2月26電介質的功能特性

機械應力和光同時作用在固體介質中，所觀察到光折射率的改變，稱為壓光效應。由于晶體不均勻變形引起的光折射率改變，上述電光效應的本質與此相似，電場引起介質極化，同時產生機械變形，導致光折射率的變化。當聲頻電場和激光同時作用在某些晶體介質上時，則聲頻電場的變化可對激光的傳播方向加以控制。這種聲光效應已在近代電子技術中得到應用。第26頁，課件共32頁，創作于2023年2月27電介質的功能特性2.4電壓敏效應

具有晶界的復合材料，如ZnO、SiC陶瓷等，其電導電流密度隨電場強度呈非線性關系，在較高的電場強度下發生電流躍增現象——電壓敏效應。

此類材料可做成各種電壓限制器件。

第27頁，課件共32頁，創作于2023年2月28電介質的功能特性ZnO電壓敏陶瓷應用為例：電流為電子性電導產生。低壓下具有歐姆特性，隨溫度呈指數上升，導電機理為電子熱躍遷電導：

中壓下為熱激發電子電導；高壓下則為隧道電子電導，電流密度與電場呈指數式關系：第28頁，課件共32頁，創作于2023年2月29電介質的功能特性應用：在工程上用作過電壓保護元件——功能介質器件。表征：殘壓比（K）是其重要的特性參數之一。其大小是通過大電流（低阻）時的電壓與通過小電流（高阻）時的電壓之比值。U10kA

——試樣通過10kA電流時的電壓U1mA——試樣通過1mA電流時的電壓

元件殘壓比愈小，電壓限幅作用愈強。第29頁，課件共32頁，創作于2023年2月30電介質的功能特性2.5電介質電阻正溫度系數（PTC）效應

通常電介質的絕緣電阻大都隨溫度的上升而作指數式的下降，仍保持高阻絕緣狀態。然而在二十世紀中葉人們發現：有一類材料在常溫下為半導電狀態，而在材料溫度升到某一特定區域，絕緣電阻急劇上升達4-6個數量級，從而進入絕緣狀態。