電介質材料的相對介電常數的極化表征

1、電介質材料簡介

電介質材料的體積儲能密度萬的表達式為：

圖1

上式中，ε為電介質材料的相對介電常數?ε₀為真空介電常數?為電介質材料

的擊穿電壓強度。從表達式來看?提高電介質材料儲能密度的途徑有兩種?一方面提高電介質材料的介電常數?另一方面提高電介質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

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

圖2

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

介電常數實質上是電介質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?由電介質材料自身的物化結構決定。在電場作用下?如果電介質自身的極化程度很高?極板上就會產生大量的感應電荷?那么材料表現出的介電常數就越大?鑒于此?對介電常數的考察研究?就要從電介質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?電介質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?對提高介電常數的研究具有很好的指導意義?極化類型與頻率的關系見圖1。

1）電子極化

電介質材料在電場作用下?原子中帶負電荷的電子云相對帶正電荷的原子核會發生相對運動?結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。電子極化發生在所有的材料中?所需的時間大約為10^-15S?發生的頻率范圍為10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子極化

電介質材料在電場作用下?其分子中原子核的排列也會發生畸變?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生?原子極化所需的時間約為10^-13S?發生的頻率范圍是10¹⁹-10¹³Hz。

電子極化和原子極化兩者都是在分子內的正負電荷中心發生位移?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?而所產生的偶極距被稱為誘導偶極距。

3）取向極化

電場作用下?電介質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?由此產生取向極化。這種極化一般需要一、?發生的頻率范圍是護。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?偶極距會發生移動?沿著電場方向規則排列起來?從而發生取向極化。

4)界面極化

前面的三種極化是在均勻介質中發生的，在非均相介質中還存在界面極化，它是指非均勻介質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的極化現象。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構缺陷處形成的偶極子，在非均相介質中兩種物質的交界面結構是不均勻的，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點，所以松弛時間較長，一般為10^-4-10⁴秒，發生的頻率范圍是10^-5-10²Hz。

各種極化機制的頻率范圍