電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)的極化表征

1、電介質(zhì)材料簡介

電介質(zhì)材料的體積儲能密度萬的表達式為：

圖1

上式中，ε為電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)?ε₀為真空介電常數(shù)?為電介質(zhì)材料

的擊穿電壓強度。從表達式來看?提高電介質(zhì)材料儲能密度的途徑有兩種?一方面提高電介質(zhì)材料的介電常數(shù)?另一方面提高電介質(zhì)材料的擊穿電壓強度?而擊穿電壓強度的提高將顯著影響儲能密度的提高。

2、介電常數(shù)

介電常數(shù)用來表征電介質(zhì)材料貯存電荷能力的大小，?它定義為介質(zhì)電容器的電容C_x比真空電容器的電容C₀增加的倍數(shù)。介電常數(shù)的表達式為：

圖2

上式中，ε為樣品的介電常數(shù)?。ε₀為真空介電常數(shù)?C為試樣的電容值?S為電極面積?d為試樣的厚度。

介電常數(shù)實質(zhì)上是電介質(zhì)材料極化程度的宏觀物理量?隨著測試頻率和溫度的變化而變化?由電介質(zhì)材料自身的物化結(jié)構(gòu)決定。在電場作用下?如果電介質(zhì)自身的極化程度很高?極板上就會產(chǎn)生大量的感應(yīng)電荷?那么材料表現(xiàn)出的介電常數(shù)就越大?鑒于此?對介電常數(shù)的考察研究?就要從電介質(zhì)材料本身在電場中的極化機制入手?從材料本身作為研究切入點?提高其介電常數(shù)?電介質(zhì)材料處于外加電場中時?主要有電子極化?原子極化?取向極化和空間電荷極化四種機制?弄清這四種極化機理?對提高介電常數(shù)的研究具有很好的指導(dǎo)意義?極化類型與頻率的關(guān)系見圖1。

1）電子極化

電介質(zhì)材料在電場作用下?原子中帶負電荷的電子云相對帶正電荷的原子核會發(fā)生相對運動?結(jié)果是原子核不再位于電子軌道的中心?這種情況稱為電子極化。電子極化發(fā)生在所有的材料中?所需的時間大約為10^-15S?發(fā)生的頻率范圍為10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子極化

電介質(zhì)材料在電場作用下?其分子中原子核的排列也會發(fā)生畸變?該過程被稱為原子極化。重的核運動要比電子運動遲鈍?因此原子極化不可能像電子極化一樣在很高頻下發(fā)生?原子極化所需的時間約為10^-13S?發(fā)生的頻率范圍是10¹⁹-10¹³Hz。

電子極化和原子極化兩者都是在分子內(nèi)的正負電荷中心發(fā)生位移?或者可稱為分子形變和分子畸變?因此這些過程也可稱為位移的形變或者畸變?而所產(chǎn)生的偶極距被稱為誘導(dǎo)偶極距。

3）取向極化

電場作用下?電介質(zhì)分子中具有的偶極距會由原來的雜亂無章變成排列有序的狀態(tài)?由此產(chǎn)生取向極化。這種極化一般需要一、?發(fā)生的頻率范圍是護。在不加外電場時?分子的熱運動會使偶極距雜亂無章?指向各個方向的機會均等?總的均偶極距仍然等于零?加上外電場?偶極距會發(fā)生移動?沿著電場方向規(guī)則排列起來?從而發(fā)生取向極化。

4)界面極化

前面的三種極化是在均勻介質(zhì)中發(fā)生的，在非均相介質(zhì)中還存在界面極化，它是指非均勻介質(zhì)在電場的作用下電子或者離子堆積在非均相的交界處所表現(xiàn)的極化現(xiàn)象。界面極化可以看成是由缺陷偶極距形成的，缺陷偶極距就是在結(jié)構(gòu)缺陷處形成的偶極子，在非均相介質(zhì)中兩種物質(zhì)的交界面結(jié)構(gòu)是不均勻的，也認為是一種缺陷，在電場的作用下形成很大的偶極距，因為這種極化牽涉到很大的極化質(zhì)點，所以松弛時間較長，一般為10^-4-10⁴秒，發(fā)生的頻率范圍是10^-5-10²Hz。

各種極化機制的頻率范圍