电介质材料的相对介电常数的极化表征

1、电介质材料简介

电介质材料的体积储能密度万的表达式为：

图1

上式中，ε为电介质材料的相对介电常数‚ε₀为真空介电常数‚为电介质材料

的击穿电压强度。从表达式来看‚提高电介质材料储能密度的途径有两种‚一方面提高电介质材料的介电常数‚另一方面提高电介质材料的击穿电压强度‚而击穿电压强度的提高将显著影响储能密度的提高。

2、介电常数

介电常数用来表征电介质材料贮存电荷能力的大小，‚它定义为介质电容器的电容C_x比真空电容器的电容C₀增加的倍数。介电常数的表达式为：

图2

上式中，ε为样品的介电常数‚。ε₀为真空介电常数‚C为试样的电容值‚S为电极面积‚d为试样的厚度。

介电常数实质上是电介质材料极化程度的宏观物理量‚随着测试频率和温度的变化而变化‚由电介质材料自身的物化结构决定。在电场作用下‚如果电介质自身的极化程度很高‚极板上就会产生大量的感应电荷‚那么材料表现出的介电常数就越大‚鉴于此‚对介电常数的考察研究‚就要从电介质材料本身在电场中的极化机制入手‚从材料本身作为研究切入点‚提高其介电常数‚电介质材料处于外加电场中时‚主要有电子极化‚原子极化‚取向极化和空间电荷极化四种机制‚弄清这四种极化机理‚对提高介电常数的研究具有很好的指导意义‚极化类型与频率的关系见图1。

1）电子极化

电介质材料在电场作用下‚原子中带负电荷的电子云相对带正电荷的原子核会发生相对运动‚结果是原子核不再位于电子轨道的中心‚这种情况称为电子极化。电子极化发生在所有的材料中‚所需的时间大约为10^-15S‚发生的频率范围为10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子极化

电介质材料在电场作用下‚其分子中原子核的排列也会发生畸变‚该过程被称为原子极化。重的核运动要比电子运动迟钝‚因此原子极化不可能像电子极化一样在很高频下发生‚原子极化所需的时间约为10^-13S‚发生的频率范围是10¹⁹-10¹³Hz。

电子极化和原子极化两者都是在分子内的正负电荷中心发生位移‚或者可称为分子形变和分子畸变‚因此这些过程也可称为位移的形变或者畸变‚而所产生的偶极距被称为诱导偶极距。

3）取向极化

电场作用下‚电介质分子中具有的偶极距会由原来的杂乱无章变成排列有序的状态‚由此产生取向极化。这种极化一般需要一、‚发生的频率范围是护。在不加外电场时‚分子的热运动会使偶极距杂乱无章‚指向各个方向的机会均等‚总的均偶极距仍然等于零‚加上外电场‚偶极距会发生移动‚沿着电场方向规则排列起来‚从而发生取向极化。

4)界面极化

前面的三种极化是在均匀介质中发生的，在非均相介质中还存在界面极化，它是指非均匀介质在电场的作用下电子或者离子堆积在非均相的交界处所表现的极化现象。界面极化可以看成是由缺陷偶极距形成的，缺陷偶极距就是在结构缺陷处形成的偶极子，在非均相介质中两种物质的交界面结构是不均匀的，也认为是一种缺陷，在电场的作用下形成很大的偶极距，因为这种极化牵涉到很大的极化质点，所以松弛时间较长，一般为10^-4-10⁴秒，发生的频率范围是10^-5-10²Hz。

各种极化机制的频率范围