1、1电介质的基本电介质的基本介电现象介电现象21. 1. 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 电导、极化、损耗、击穿电导、极化、损耗、击穿2.2. 电介质的功能特性电介质的功能特性 电电机械、电机械、电热、电热、电光光 电电压敏、压敏、PTCPTC主要内容：主要内容：电介质的基本介电现象电介质的基本介电现象31. 1. 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性电介质：电介质：在电场作用下能建立极化的一切物质。在电场作用下能建立极化的一切物质。 存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。存在较强电场并可发生明显极化现象的材料。 电力线能透过的物质（法拉第电力线能
2、透过的物质（法拉第18391839年）。年）。 电介质物理：电介质物理：是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科是研究宏观物质中电位移运动基本规律的科 学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现学。主要研究对象是电介质中电荷的运动迁移现 象以及由此产生的各种效应。象以及由此产生的各种效应。主要特性：主要特性：电介质在电场作用下最主要的电特性是电介质在电场作用下最主要的电特性是极化极化和和电导电导，以及在此基础，以及在此基础上产生的上产生的损耗损耗与与击穿击穿现象。现象。 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性41. 1 介质电导介质电导 定义：定义：电介质电导是电介电介质电导是
3、电介质中存在的少量载流子，质中存在的少量载流子，贯穿整个介质而构成贯穿整个介质而构成“漏漏泄电流泄电流”的物理现象。的物理现象。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性IUR jEUIG vI特点：特点：在直流电压作用下在直流电压作用下有较稳定的电流通过。有较稳定的电流通过。表征：表征：用用电阻率电阻率v v或电导或电导率率来表征材料的电导特来表征材料的电导特性。性。5 在电介质截面积为在电介质截面积为S、厚度为、厚度为L的平板型材料的平板型材料的情况下，则有：的情况下，则有： 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性LEUSjI)(SLRv由此可得：由此可得：
4、R电阻，单位为欧姆（电阻，单位为欧姆（ ）；）； G电导，（电导，（S）v体电阻率，（体电阻率，（ m）；）； 体电导率，（体电导率，（S/m）U电压（电压（V）；）；E电场强度（电场强度（V/m)V/m)；j电流密度，电流密度， (A/m2)6 电导特性是任何一种材料（无论导体、半导体、电导特性是任何一种材料（无论导体、半导体、还是电介质）都具有的电学性质，并非电介质所特还是电介质）都具有的电学性质，并非电介质所特有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：有。但不同材料在电导率的大小上却相差很远：例如：一般导体例如：一般导体=109（S/m ） 绝缘性能良好的电介质绝缘性能良好的电介质=10
5、-18（S/m ） 相差相差1027倍。倍。 导电机理有明显区别，因此对电介质电导需作导电机理有明显区别，因此对电介质电导需作专门的讨论。专门的讨论。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性为什么？为什么？71.2 介质极化介质极化定义：定义：极化是电介质中束缚在分极化是电介质中束缚在分子内部或局部空间不能完全自由子内部或局部空间不能完全自由运动的电荷，在电场作用下产生运动的电荷，在电场作用下产生局部的迁移而形成感应偶极矩的局部的迁移而形成感应偶极矩的物理现象。物理现象。是电介质特有的性质。是电介质特有的性质。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性电介质：电介
6、质：在电场作用下能产生极化现象的材料。在电场作用下能产生极化现象的材料。 表征：表征：单位体积电介质中形成的总感应电矩单位体积电介质中形成的总感应电矩极化强度。极化强度。 在线性介质中：在线性介质中：EP0 x介质极化系数，介质极化系数， 0真空介电常数，真空介电常数，8.85410-12F/m 8电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 在工程技术中，通常采用比电容率（或相对介电常数）来作为介质极化的量在工程技术中，通常采用比电容率（或相对介电常数）来作为介质极化的量度。度。 比电容率是以介质充入真空电容器后，此电容器的电容量（比电容率是以介质充入真空电容器后，此电容器的电容
7、量（C C）与原真空电）与原真空电容器的电容量（容器的电容量（C C0 0）之比来计量。）之比来计量。 r相对介电常数，它与相对介电常数，它与 0的乘积的乘积 ，定义为，定义为介质的介电常数介质的介电常数由电工学可得：由电工学可得： 0CCr0rEPEEDr00EPr019 体电阻率（体电阻率（ v v）和相对介电常数（）和相对介电常数（ r r）是表征）是表征材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是材料介电特性的最主要参数。它们在线性材料中是与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改与电场强度无关的常数，当电场频率改变时也会改变；在非线性材料以及在强电场下则还与电场强度变；在非线性材料
8、以及在强电场下则还与电场强度有关。有关。因此：因此： r r 为为温度、电场频率、电场强度的函数；温度、电场频率、电场强度的函数； v v 则为温度、电场强度的函数。则为温度、电场强度的函数。 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性101. 3 介质损耗介质损耗 在交变电压下，由于极化，使介质中在交变电压下，由于极化，使介质中 存在电容存在电容电流和电导电流。电流和电导电流。 对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数的电导电流小。从而引入一个新的介质物理参数介质损耗角正切介质损耗角正切tanta
9、n 。 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性11 Pr电容介质损耗有功功率，电容介质损耗有功功率， Pc电容无功功率。电容无功功率。 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性crRCRPPCUUIII2tan定义：定义： 只有电导电流损耗时，只有电导电流损耗时，tantan 与与 成倒数关系。成倒数关系。 极性介质的极性介质的tantan 与与 是有峰值的曲线关系，极性介质的是有峰值的曲线关系，极性介质的tantan 值比非极值比非极性介质的性介质的tantan 值大；而且值大；而且tantan 随随 的变化呈非倒数式关系，这是由于介的变化呈非倒数式关系，这
10、是由于介质极化滞后所形成的损耗而引起。质极化滞后所形成的损耗而引起。 因此，研究介质损耗的重点就是研究介质极因此，研究介质损耗的重点就是研究介质极化形成的动态过程中产生的损耗。化形成的动态过程中产生的损耗。121. 4 介质击穿介质击穿 在高场强下介质的电导电在高场强下介质的电导电流将会成指数式激烈上升，导流将会成指数式激烈上升，导致介质进入高导电的非平衡状致介质进入高导电的非平衡状态态电介质击穿现象。电介质击穿现象。 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性主要判据：主要判据： dUdI0dIdU13在均匀电场下：如介质厚度在均匀电场下：如介质厚度d d，介质击穿电压，介质击
11、穿电压U UB B 电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性dUEBBE EB B 介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的介质击穿场强，描述电介质耐电压特性的 重要物理参数，它与温度、电场形式有关。重要物理参数，它与温度、电场形式有关。 14q r r， v v，tantan 和和E EB B 作为描述绝缘介质基本特作为描述绝缘介质基本特性的四大物理参数。性的四大物理参数。q 研究四大参数与电介质材料的组成、结构、研究四大参数与电介质材料的组成、结构、含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频含杂等的关系，以及温度、压力、电场性质（频率、波形等）的影响。率、波形等）的影响。q 研
12、究成果广泛用于工程领域研究成果广泛用于工程领域成为成为“电介电介质工程质工程”。电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性15电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性 电容器的电储能密度电容器的电储能密度W与与 和和E2呈正比呈正比 提高储能密度可采用高提高储能密度可采用高和高和高E E的电介质材料的电介质材料 推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展推动了高介电常数低介质损耗材料的研究和发展 而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料而提高介质的耐电强度则是作为电介质绝缘材料的一个最主要的共性问题。的一个最主要的共性问题。高功率脉冲电容储能技术高功率脉冲电容储
13、能技术为为例：例：1,.,221itVVKKEW16电介质在电场作用下的主要特性电介质在电场作用下的主要特性涉及的科学与技术问题：涉及的科学与技术问题： 高储能介质的介电性能高储能介质的介电性能极化、弛豫机理极化、弛豫机理 高耐电强度高耐电强度高介电常数介质的击穿特性高介电常数介质的击穿特性 结构优化结构优化提高电容器有效储能体积提高电容器有效储能体积 放电特性放电特性快速、大容量、消除电感快速、大容量、消除电感 高可靠性高可靠性稳定性与寿命稳定性与寿命 性能评价性能评价测、试、分析技术测、试、分析技术17电介质的功能特性电介质的功能特性2.2. 电介质的功能特性电介质的功能特性q 电介质除了
14、具有上述纯粹的电学特性之外，在其电性和力学性能、热学性电介质除了具有上述纯粹的电学特性之外，在其电性和力学性能、热学性能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。能、光学性能之间还存在密切相关的功能转换特性。q 如：介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、场致发光效应和电如：介质在电场作用下的电致伸缩效应、电压敏效应、场致发光效应和电热效应等，反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的功能效应。热效应等，反映了介质把电能转化为机械能、光能、热能的功能效应。q 而：介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用下产生的热释电效应、而：介质在力场作用下发生的压电效应、在热场作用下产生的热释电效应
15、、在光照下引起的光电效应、导电性突变的在光照下引起的光电效应、导电性突变的PTC效应等，则为相反的功能转换特效应等，则为相反的功能转换特性。性。q 这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象有关。因此，对介质这些特性的物理本质亦往往与介质的电导和极化现象有关。因此，对介质的介电和功能特性要有全面的了解。的介电和功能特性要有全面的了解。18电介质的功能特性电介质的功能特性2. 1 电电- -机械特性机械特性 当介质分子在电场作用下发生弹性位当介质分子在电场作用下发生弹性位移极化时，介质会在电场的方向有一定的移极化时，介质会在电场的方向有一定的伸长。产生机械变形伸长。产生机械变形X X，与电场
16、强度的平方，与电场强度的平方成正比：成正比： 2xEX 所有电介质都存在的一种电所有电介质都存在的一种电-机械效应。机械效应。 与电场的指向无关，与电场的指向无关，X、x均大于零，称为均大于零，称为伸长伸长效应。效应。 铁电体中此效应较明显，一般介质在弱电场中不明显。铁电体中此效应较明显，一般介质在弱电场中不明显。 x电致伸缩常数电致伸缩常数19电介质的功能特性电介质的功能特性 在具有非中心对称结构的固体电介质中，除了在具有非中心对称结构的固体电介质中，除了上述的平方效应以外还观察到一种变形正比于电上述的平方效应以外还观察到一种变形正比于电场的线性效应，即：场的线性效应，即：dEX d压电模数
17、压电模数 当介质上电压极性改变，即当介质上电压极性改变，即E变号时，机械形变变号时，机械形变X的符号亦将变号，电场可的符号亦将变号，电场可引起固体引起固体伸长伸长或或压缩压缩。 这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下能引起机械变形，而这一类介质在弱电场下此效应明显，不仅在电场作用下能引起机械变形，而且在力场作用下亦能引起介质极化，使介质表面带电且在力场作用下亦能引起介质极化，使介质表面带电“压电效应压电效应（Piezoelectric effect）”。 20电介质的功能特性电介质的功能特性压电效应可以把力学信息转化为电信息，存在于非压电效应可以把力学信息转化为电信息，存在于非对称结
18、构的固体介质中，故有：对称结构的固体介质中，故有：2xEdEX线性效应一般要比平方效应显著线性效应一般要比平方效应显著非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应，形成极化，其极非中心对称电介质在机械应力的作用下因压电效应，形成极化，其极化强度与应变成正比：化强度与应变成正比： eXP 电电-机械平方效应则无逆向的机械机械平方效应则无逆向的机械-电效应。电效应。在中心对称结构的电介质中，不管怎样的机械应力或变形都不能引起极在中心对称结构的电介质中，不管怎样的机械应力或变形都不能引起极化。化。 e压电常数压电常数21电介质的功能特性电介质的功能特性2. 2 电电- -热效应热效应 介质在电场作用
19、下由于电导电流和极化吸收电介质在电场作用下由于电导电流和极化吸收电流会引起发热，其发热量一般与流会引起发热，其发热量一般与E E 2 2成正比：成正比： 2EQ此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗，此时，电能变为热能是不可逆的，称为电介质损耗，特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。特别在高频交流电场下，此发热可变得相当明显。 22电介质的功能特性电介质的功能特性 在一些热释电晶体中，不仅有平方关系的电热效在一些热释电晶体中，不仅有平方关系的电热效应，还同时存在线性的热电效应：应，还同时存在线性的热电效应：EQ此为可逆效应。即在此种晶体加热时往往有电此为可逆效应。即在此种晶体加热时
20、往往有电荷释放出，故称为荷释放出，故称为热释电热释电效应。效应。温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律温度对介质的电性能有明显影响，其影响规律往往成为探索介质物理机理的主要实验依据。往往成为探索介质物理机理的主要实验依据。 电热常数电热常数23电介质的功能特性电介质的功能特性2. 3 电电- -光效应光效应 v 光本质上是一种极高频率电磁波，当光波穿过电介质时，同样会有介质极光本质上是一种极高频率电磁波，当光波穿过电介质时，同样会有介质极化和能量损耗（介质吸收）的现象。化和能量损耗（介质吸收）的现象。光频极化常用光折射率光频极化常用光折射率n n来表征。光折射率来表征。光折射率n n是光在真
21、空中的速度是光在真空中的速度c c与在介质与在介质中的速度中的速度 之比（之比（n=c/ n=c/ ）。）。 根据麦克斯韦尔电磁波方程有：根据麦克斯韦尔电磁波方程有： rrcn 光具有粒子性，一定频率的光子具有能量光具有粒子性，一定频率的光子具有能量h h ，它与介质相互作用将能引起介，它与介质相互作用将能引起介质中载流子密度和电导率的变化。质中载流子密度和电导率的变化。v 光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系。光与介质的极化和电导特性都有着密切的关系。非铁磁性介质中非铁磁性介质中 r 1, 故故n2= r24电介质的功能特性电介质的功能特性v 光照引起电介质电导激烈增加的现象是最广泛的一
22、种光电效应光照引起电介质电导激烈增加的现象是最广泛的一种光电效应光光电导效应（电导效应（Photoconduction effect）。这是由于光子进入介质引起介质中）。这是由于光子进入介质引起介质中束缚电子的活化，产生新的导电载流子，使介质的电导率增大。束缚电子的活化，产生新的导电载流子，使介质的电导率增大。 对于禁带宽度不宽的电介质和半导体，当光子能量对于禁带宽度不宽的电介质和半导体，当光子能量h h E Eg g（禁带宽度）（禁带宽度）时时, ,能引起光电动势能引起光电动势光伏打效应（光伏打效应（Photovoltaic effect）。）。 此时光能转化为电能，但这种转化效率在半导体中
23、较强，如在硅和砷此时光能转化为电能，但这种转化效率在半导体中较强，如在硅和砷化镓中。现在，硅材料已成为一种应用最广泛的太阳能电池材料。化镓中。现在，硅材料已成为一种应用最广泛的太阳能电池材料。v 某些电介质在强光照射下，亦能观察到介电系数的变化。其本质是光某些电介质在强光照射下，亦能观察到介电系数的变化。其本质是光引起晶体中产生了激发态的激子，而导致有附加的介质极化电矩，从而改引起晶体中产生了激发态的激子，而导致有附加的介质极化电矩，从而改变了变了 r r值。值。25电介质的功能特性电介质的功能特性v 在强电场下介质中最重要的电光效应是光折射率在强电场下介质中最重要的电光效应是光折射率随电场强
24、度的变化：随电场强度的变化： 此效应可以是非线性的或线性的此效应可以是非线性的或线性的。 平方式效应称为克尔效应（平方式效应称为克尔效应（Kerr effect），在任何电介质中都能），在任何电介质中都能观察到。观察到。 线性电光效应称为普克尔效应（线性电光效应称为普克尔效应（Pockels EffectPockels Effect），只在光各向异），只在光各向异性的晶体和液体中存在。性的晶体和液体中存在。EnEn或226电介质的功能特性电介质的功能特性 机械应力和光同时作用在固体介质中，所观机械应力和光同时作用在固体介质中，所观察到光折射率的改变，称为压光效应。察到光折射率的改变，称为压光效
25、应。 由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变，由于晶体不均匀变形引起的光折射率改变，上述电光效应的本质与此相似，电场引起介质极上述电光效应的本质与此相似，电场引起介质极化，同时产生机械变形，导致光折射率的变化。化，同时产生机械变形，导致光折射率的变化。 当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质当声频电场和激光同时作用在某些晶体介质上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加上时，则声频电场的变化可对激光的传播方向加以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到以控制。这种声光效应已在近代电子技术中得到应用。应用。27电介质的功能特性电介质的功能特性2. 4 电压敏效应电压敏效应 具有晶界的复合材料，如具
26、有晶界的复合材料，如ZnO、SiC陶瓷等，其电导电流密度随电场强度呈陶瓷等，其电导电流密度随电场强度呈非线性关系，在较高的电场强度下发生电流跃增现象非线性关系，在较高的电场强度下发生电流跃增现象电压敏效应电压敏效应 。 此类材料可做成各种电压限制器件。此类材料可做成各种电压限制器件。 28电介质的功能特性电介质的功能特性ZnO电压敏陶瓷应用电压敏陶瓷应用为例：为例： 电流为电子性电导产生。电流为电子性电导产生。 低压下具有欧姆特性，低压下具有欧姆特性， 随温度呈指数上升，导电机理为电子热跃迁电导：随温度呈指数上升，导电机理为电子热跃迁电导：kTWCe/EbEBej/ 中压下为热激发电子电导；中
27、压下为热激发电子电导； 高压下则为隧道电子电导，电流密度与电场呈指数式关系：高压下则为隧道电子电导，电流密度与电场呈指数式关系：29电介质的功能特性电介质的功能特性应用：应用：在工程上用作过电压保护元件在工程上用作过电压保护元件功能介质器件。功能介质器件。表征：表征：残压比（残压比（K）是其重要的特性参数之一。其大小是通过大电流（低阻）时）是其重要的特性参数之一。其大小是通过大电流（低阻）时的电压与通过小电流（高阻）时的电压之比值。的电压与通过小电流（高阻）时的电压之比值。mAkAUUK110U U10 kA10 kA 试样通过试样通过10 kA电流时的电压电流时的电压U U1 mA 1 mA
28、 试样通过试样通过1 mA电流时的电压电流时的电压 元件残压比愈小，电压限幅作用愈强。元件残压比愈小，电压限幅作用愈强。30电介质的功能特性电介质的功能特性2. 5 电介质电阻正温度系数（电介质电阻正温度系数（PTCPTC）效应）效应 v 通常电介质的绝缘电阻大都随温通常电介质的绝缘电阻大都随温度的上升而作指数式的下降，仍保度的上升而作指数式的下降，仍保持高阻绝缘状态。持高阻绝缘状态。v 然而在二十世纪中叶人们发现：然而在二十世纪中叶人们发现：有一类材料在常温下为半导电状态，有一类材料在常温下为半导电状态，而在材料温度升到某一特定区域，而在材料温度升到某一特定区域，绝缘电阻急剧上升达绝缘电阻急
29、剧上升达4-6个数量级，个数量级，从而进入绝缘状态。从而进入绝缘状态。 3101dTdRR电介质的功能特性电介质的功能特性即：即：这种电阻正温度系数特性效应这种电阻正温度系数特性效应PTC效应（效应（Positive Temperature Coefficient）。）。 分类：分类：此类材料包含无机陶瓷（掺杂此类材料包含无机陶瓷（掺杂BaTiOBaTiO3 3）和有机复合材料（掺导电碳）和有机复合材料（掺导电碳黑的聚合物）两大类。黑的聚合物）两大类。 机理：机理：其突变的导电特性多与主体材料中发生结构相变以及导电机制的改变其突变的导电特性多与主体材料中发生结构相变以及导电机制的改变有关。有关。 表征：表征：峰值温度峰值温度T TP P 、PTC强度强度RTPTPTC室温电阻率峰值温度电阻率强度 电介质的各种特性与其物质组成、结构密切相关！电介质的各种特性与其物质组成、结构密切相关！32谢谢 谢！谢！
