關于電介質材料基礎知識第1頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日3-1-1電介質及其極化3-1-2電介質的介質損耗3-1-3電介質的電導和擊穿3-1電介質物理基礎知識電介質材料的四個基本參數：介電常數（ε）、損耗角正切（tanδ）、電導率（

）、抗電強度（Ep

）3-1-4電介質材料的非電性能第2頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日3-1-1電介質及其極化室溫下金屬導體、半導體、電介質的電阻率分別為：ρ10-8~10-610-5~106108~1018導體半導體電介質2）在較弱電場下具有極化能力，并以電極化的方式傳遞、存儲和記錄電的作用與影響；1）電介質是絕緣體，無自由電荷，只存在束縛電荷。3）電介質可作絕緣材料，還可用于制作電容器、壓電器件及介質天線等電子元器件。1.電介質的定義第3頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日4）極性分子電介質和非極性分子電介質極性分子：分子的正負電荷重心不重合。例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OHH2O分子非極性分子：分子的正負電荷重心重合。極性分子具有固有偶極矩，非極性分子的偶極矩為零。例如，CO2、H2、N2、CH4、He

電偶極子電偶極矩：。第4頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.電介質的極化

在電介質中，原子、分子或離子的正負電荷以共價鍵或離子鍵的形式被強烈的相互束縛著，這些束縛電荷在外電場的作用下分布發生變化，在電介質內形成感應宏觀偶極矩的過程，稱為電介質的極化。

感應宏觀偶極矩的形成：

非極性介質

—在電場作用下，正負電荷在微觀尺度作偏離平衡位置的相對位移，

正負電荷相對位移的方向相反，在相距一定距離之后，產生感應偶極矩；電介質整體來看，就形成了感應宏觀偶極矩。極性介質

—組成介質的分子具有極性或正負離子的中心不重合，其本身就具有固有偶極矩；在沒有外電場時，熱運動使固有偶極矩混亂取向，偶極矩的矢量和為零；有外電場時，偶極子沿電場方向取向幾率增加，偶極矩的矢量和不再為零，電介質對外表現出感應宏觀偶極矩。第5頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日：外電場：退極化場介質中的總場強：

由于介質的極化，在介質表面出現符號相反的感應電荷，在介質內形成與外電場方向相反的退極化場；介質的極化能力越強，退極化場越強。極化使電介質表面出現感應束縛電荷第6頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.1介電常數（ε）取D/E比值來反映介質的極化能力：ε：電介質的介電常數；D：介質中的電位移，僅與自由電荷的密度有關；E：介質中的總電場強度，與自由電荷密度和介質表面的束縛電荷密度都有關。介電常數是描述介質極化能力的一個重要物理參數！第7頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日：相對介電常數：真空介電常數

介電常數反映了介質極化能力的大小，介質的介電常數值越大，極化能力越強；

電容器介質的介電常數越大，電容器存儲電荷的能力越強。第8頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日真空空氣乙醇水石英玻璃石蠟1.000001.0005926.480.14.27~4.343.802.0~2.5氧化鋁

巖鹽NaCl鈦酸鈣

金紅石（TiO2）鈦酸鋇晶體:11.28~13.276.12130~150晶體:86~170晶體:160~4500陶瓷:80~110陶瓷:1700陶瓷:9.5~11.2聚乙烯聚四氟乙烯聚氯乙烯環氧樹脂天然橡膠酚醛樹脂2.262.114.553.6~4.12.6~2.95.1~8.6常用電介質材料的相對介電常數第9頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.2介質極化強度和極化率為了描述電介質在外場中的極化情況，引入極化強度矢量，它等于單位體積內感生偶極矩的矢量和：若介質中的電場是均勻的，則有：單位為：C/m2若單位體積中有n0個極化粒子，各極化粒子偶極矩的平均值為，則有：對于線性極化，與電場強度成正比，有：：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的局域電場，稱為有效電場；：極化粒子的極化率，是表征微觀粒子極化性質的微觀參數。第10頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.3電介質極化的宏觀參數和微觀參數的關系平板型電容器的極片面積為S，極片間距為d，均勻極化時，整個電介質總的感應偶極矩：Sd極化強度：

提高電介質的介電常數：

提高單位體積內的極化粒子數n0；選取極化率大的粒子組成電介質；增強作用于極化粒子上的有效電場Ee。第11頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日對于氣體、非極性電介質及結構高度對稱或完全無序的介質，有效電場與外電場的關系為：這樣的有效電場稱為洛倫茲（Lorentz）有效電場，將其代入εr公式：稱為克—莫極化方程，是在采用洛倫茲有效電場的情況下，聯系電介質極化宏觀參數與微觀參數的關系式。第12頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.4電介質極化的類型

電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉向極化、離子松弛極化、空間電荷極化、自發極化1）電子位移極化電介質中的原子、分子和離子等任何粒子，在電場的作用下，粒子中的電子云相對于原子核發生位移，而感生一個沿電場方向的感應偶極矩。電子云原子核電子位移極化模型圖+q-q第13頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日

電子位移極化率與溫度無關：溫度的高低不足以改變原子或離子的半徑。

電子位移極化建立的時間很短，約在10-14~10-16s范圍；如果所加電場為交變電場，即使電場頻率高達光頻，電子位移極化也來得及響應。

電子位移極化存在于一切介質中。

電子位移極化產生的感應偶極矩：為電子極化率：電子極化率與原子半徑的立方成正比，電子軌道半徑r越大，電子離原子核越遠，與原子核之間的吸引力越弱，越容易發生極化。（電子位移極化率的數量級為10-40F.m2）第14頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日

實驗測量得到的值并不嚴格等于，不同原子和離子比值大小不一樣，值大的原子或離子越容易發生極化。（P10，表2-2）第15頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2）離子位移極化++偶極矩矢量和為零；++感應偶極矩：為離子位移極化率。

當離子位移為完全彈性位移時，可以得出：

離子位移極化率隨溫度的升高而增大，但增加甚微；離子位移極化對外場的響應時間也較短，約為10-12~10-13s。（離子位移極化率的數量級為10-40F.m2）（a為晶格常數，晶體密堆積時）第16頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日3）偶極子轉向極化+-+-+-+-+-+-+-+-+--+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+在沒有外電場時，分子的熱運動使偶極子作混亂排布，分子固有偶極矩在空間個方向的取向幾率相同，宏觀偶極矩為零。在電場作用下，極性分子沿電場方向取向幾率大于其它方向，形成宏觀偶極矩。極性分子具有固有偶極矩，可以把它們看成偶極子。可以證明，偶極子轉向極化率為：

偶極子轉向極化率隨溫度的升高而下降：溫度升高，熱運動的抗取向作用加劇；

偶極子轉向極化對外電場的響應時間較長，約為10-8~10-2s。（偶極子轉向極化率的數量級為10-38F.m2）第17頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日4）離子松弛極化玻璃態物質、機構松散的離子晶體及晶體的雜質缺陷區域，離子本身能量較高，容易受熱激活，越過勢壘，在不同的平衡位置之間躍遷，稱為弱束縛離子。UxUxABΔU躍遷幾率相同AB沿電場方向遷移幾率增加++在電場作用下，沿電場方向產生過剩躍遷的離子，使電介質電荷分布不均，形成電偶極矩。

離子松弛極化率：，與溫度成反比；

離子松弛極化建立的時間較慢，約為10-2s；

離子松弛極化是非可逆的過程，且離子躍遷的距離可與晶格常數相比擬。第18頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日5）空間電荷極化當介質中存在少量自由電荷載流子（正負離子和電子）時，在外電場作用下，載流子將移動，使介質有微小的漏導電流。++e++移動的載流子可能被阻止在晶界、相界等晶格缺陷處，形成空間電荷的局部積累，使介質中電荷分布不均，從而產生電偶極矩，發生極化。

空間電荷極化與介質的電導密切相關；

空間電荷極化建立的時間很長，在幾分之一秒到幾個小時范圍內。第19頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日6）自發式極化

某些晶體具有特殊的結構，其晶胞自身的正負電荷重心不重合，即晶胞具有極性。

由于晶體結構的周期性和重復性，當某一晶胞在某一方向出現偶極矩時，將逐級影響到相鄰的晶胞，使它們的固有偶極矩朝向相同的方向。由于這種極化狀態是在外電場為零時自發建立的，稱為自發極化。

具有相同極化方向的自發極化區域，稱為電疇。沒有外電場時，電疇空間取向平均，介質不顯極性；有外電場時，電疇沿電場方向轉向，顯示強烈的極化效應。電疇

自發極化產生的介電常數非常高，且極化建立的時間很長。第20頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日7）請思考下列介質中存在的極化類型①N2、H2、CO2非極性氣體，只存在電子位移極化②SO2、H2S、HCl極性氣體，存在電子位移極化和偶極子轉向極化③

苯、CCl4、聚丙烯、聚四氟乙烯④乙醇、聚氯乙烯⑤

離子晶體非極性液體或固體，只存在電子位移極化極性液體或固體，存在電子位移極化和偶極子轉向極化存在電子位移極化和離子位移極化；有的還存在離子松弛極化和自發極化（如BaTiO3）第21頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日3-1-2電介質的介質損耗

電子位移極化和離子位移極化建立的時間極短，可以與可見光的周期相比擬，在遠低于光頻的無線電頻率范圍，這兩種極化可以看成是即時的，稱為瞬時極化。偶極子取向極化、離子松弛極化、空間電荷極化和自發極化建立的時間較長，稱為緩慢極化，也稱弛豫極化。

在靜電場下測得的介電常數稱為靜態介電常數（εs）。+瞬時極化與交變電場完全同步，其極化強度與電場間沒有相位差。+緩慢極化需要經過一段時間才能達到相應電場下的最大極化值；緩慢極化強度與電場之間存在相位差。第22頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日

隨著交變電場頻率的不同，介質的極化響應分3種情況：

頻率很低：各種極化的建立跟得上電場的變化，介質的極化響應同靜電場情形；

頻率極高：弛豫極化完全來不及建立，不必考慮；瞬時極化仍同靜電場情形；

介于中間：出現極化損耗，介電常數隨電場頻率變化。第23頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日1.介質損耗和復介電常數余弦交變電場：介質的位移電流密度：電場頻率很低時：極化跟得上電場的變化，電位移D（）與電場E之間沒有相位差：單位時間內單位體積消耗的能量：交變電場頻率很低時，介質中沒有極化損耗。1）極化損耗第24頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日電場頻率較高時：余弦交變電場：某些類型的極化不能完全跟上電場的變化，電位移D（）與電場E之間出現相位差：介質的位移電流密度：①②①：不導致介質中出現能量損耗②：單位時間單位體積的介質中能量損耗：

當極化滯后于交變電場變化時，介質中產生能量損耗，稱為極化損耗；極化損耗與電場頻率及有關，相角稱為電介質損耗角。第25頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2）復介電常數用復數表示交變電場下的上述關系：復電場強度：或復電位移：當極化跟不上外電場的變化時，與之間有角的相位差：根據介電常數的定義（），引入復相對介電常數，習慣稱為復介電常數：當電位移和電場強度同位相時：當電位移和電場強度有相位差時：是實數；是復數；第26頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日介質的復位移電流密度：②①①的實數部分：②的實數部分：復介電常數：沒有能量損耗：無功電流密度產生能量損耗：有功電流密度單位時間單位體積極化損耗的能量為：在實際應用中，介質損耗常用值來表示：稱為介質損耗角正切。（損耗因子）第27頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.德拜方程由極化弛豫過程，德拜首先提出并建立了復介電常數與頻率之間的關系，稱為德拜方程：：頻率，即靜電場時的介電常數，稱靜態介電常數：頻率時的介電常數，稱光頻介電常數：弛豫時間，極化強度降為最大值的1/e時所需要的時間第28頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.1復介電常數的頻率特性：：隨頻率的增加而降低，從靜態值降至光頻值；1）時：，，即靜電場下的情況；2）時：，，即光頻下的情況；3）在之間時：：隨頻率的增加出現極值，極值頻率。

時：大致正比于，，；

時：大致反比于，，；

附近：和發生劇烈變化，稱為彌散區域。第29頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.2的頻率特性：隨頻率的增加出現極值，極值頻率：O的頻率特性與類似：

時：大致與成正比；時：大致與成反比；時：通過極大值。第30頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日3.介電常數與溫度的關系n0：溫度升高，由于熱膨脹，單位體積內的粒子數減少；：電子位移極化率與溫度無關；離子位移極化：T，離子間距膨脹，a，；偶極子取向極化、離子松弛極化：溫度升高，抗取向性增強，極化率下降；自發極化：與相變和晶體結構等因素有關；

Ee：氣體、非極性介質、高度對稱和完全無序介質—洛倫茲有效電場；在離子晶體中，與離子種類、晶體結構等有關。宏觀介電常數與微觀參數：介質單位體積中的極化粒子數、粒子的極化率及有效電場有關，考察隨溫度的變化關系，只需研究n0、、和Ee隨溫度的變化關系。第31頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日4.計及漏導電流時的介質損耗

任何介質都不是理想的絕緣體，在加上交變電場后，除極化損耗外，還有漏導電流產生，電流做功，以熱的形式散發出來，形成介質損耗的一部分，稱為漏導損耗，也稱電導損耗。

介質損耗：：極化引起的損耗角正切；：電導引起的損耗角正切；(為介質的電導率)第32頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日：，只有電導電流引起的損耗：1）

與頻率的關系：3）隨著頻率的升高，極化損耗開始起作用，出現損耗峰值；2）頻率很低時：可忽略不計；損耗主要由電導引起：4）頻率極高時：

1）2）3）4）O第33頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日

與電導率

的關系：當電介質的電導增加時，漏導損耗的比例就相應增加；1）很小時：明顯的極化損耗特征；2）逐漸增大時：極化損耗極大值逐漸變得不明顯；3）很大時：極大值完全被淹沒，隨頻率增加迅速下降，表現出明顯的電導損耗特征。12345O第34頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日電導率與溫度的關系：低溫區：極化損耗為主；高溫區：漏導損耗呈指數急劇上升。OT極化損耗漏導損耗

與溫度的關系：OT12345

與溫度的關系，隨著的增加，極化損耗也逐漸被電導損耗覆蓋。第35頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日1.電介質的電導3-1-3電介質的電導和擊穿

實際電介質中或多或少地存在著一定量的自由帶電粒子，在不高的外電場下，這些載流子定向遷移，形成很小的電流，稱為漏導電流。

若電介質中正負載流子的濃度相同，均為n，每個載流子的帶電量為q，則介質中的電流密度為：歐姆定律：（為電介質的電導率）單位截面

電導率和電阻率直接表征了介質絕緣性能的優劣；電場不高時，電導率與電場無關；提高介質的絕緣性：①減少載流子數；②降低遷移率。

正負載流子的遷移速率與外電場強度成正比：（和為遷移率）；+q第36頁，共41頁，星期日，2025年，2月5日2.電介質的擊穿

當電場強度相當高時，電導率隨E升高迅速增加；若電場繼續升高，介質的電導將突然急劇增加，電介質的絕緣性被破壞，幾乎變成導體，稱為電擊穿；

發生電擊穿時的臨界電壓稱為擊穿電壓；相應的臨界電場強度稱為抗電強度（Ep）。抗電強度表征了電介質承受電場作用能力的高低。抗電強度有時也稱擊穿強度。

擊穿的主要形式：電擊穿—電介質的結構直接被電場力所破壞；熱擊穿—由于電介質材料的介質損耗導致電介質發熱而被破壞；電化學擊穿—由于外加電壓的作用，致使電介質內部發生化學變化而引起擊穿。第37頁，共41頁，星期日，2025年