1、電(dian)介(jie)質材料簡介(jie)

電介質(zhi)材料的體積儲能密度萬的表達(da)式為：

圖1

上式中，ε為電介質(zhi)材料的相對(dui)介電常數?ε₀為真空介電常數?為電介(jie)質材(cai)料(liao)

的擊穿電壓(ya)強(qiang)度。從表(biao)達式來看?提高(gao)電(dian)介質材(cai)料儲能密度的途徑有(you)兩種?一方面提高電介質材料(liao)的介電常數?另(ling)一方面提高電(dian)介質材料的擊穿電(dian)壓強度(du)?而擊穿電壓強度的提高將(jiang)顯著影響儲能密度的提高。

2、介電(dian)常(chang)數

介電(dian)常數用來表征電(dian)介質材料(liao)貯存電(dian)荷(he)能力的(de)大(da)小，?它定(ding)義為介質(zhi)電容器的電容C_x比真空電容(rong)器的(de)電容(rong)C₀增加的倍(bei)數。介電常數的(de)表達式為：

圖(tu)2

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

介電常數實質上是電(dian)介質材料極化程度的宏觀(guan)物(wu)理量?隨著(zhu)測(ce)試頻(pin)率和溫(wen)度的變化而變化?由電介質(zhi)材料自(zi)身(shen)的物化(hua)結構決定。在電場(chang)作用下?如(ru)果電介質自身的極化程度很高?極板上就(jiu)會(hui)產生(sheng)大量的(de)感應(ying)電荷?那(nei)么(me)材料表現出的介電(dian)常數就越大?鑒(jian)于此?對介電(dian)常(chang)數的考(kao)察研究?就(jiu)要從電介質材料(liao)本身在電場中的極化(hua)機制入手?從材料本身作為研究切(qie)入點?提高其(qi)介電常數?電介質材料處于外(wai)加電場中(zhong)時(shi)?主(zhu)要有電子極(ji)化?原子極化?取向極化(hua)和空間電(dian)荷極化(hua)四種機制?弄清這四種極(ji)化機理?對提(ti)高介(jie)電常數的研究具有很(hen)好的指導(dao)意(yi)義?極化類(lei)型與頻率的(de)關系見圖1。

1）電子極化(hua)

電(dian)(dian)介質材料在電(dian)(dian)場(chang)作(zuo)用下?原子中帶負(fu)電(dian)荷的(de)電(dian)子云(yun)相(xiang)對(dui)帶正電(dian)荷的(de)原子核會發生(sheng)相(xiang)對(dui)運動(dong)?結(jie)果(guo)是(shi)原子核不(bu)再(zai)位于電子軌(gui)道的中心?這(zhe)種(zhong)情(qing)況稱為電子極(ji)(ji)化(hua)。電子極(ji)(ji)化(hua)發生(sheng)在所(suo)有的材(cai)料中?所需的時間大約為10^-15S?發(fa)生的頻率范圍為10¹⁴-10¹⁶Hz。

2）原子極化

電介質材(cai)料在(zai)電場作用下?其(qi)分(fen)子中(zhong)原子核的排列也會發(fa)生畸變(bian)?該(gai)過程被稱為原(yuan)子(zi)極化。重(zhong)的核運(yun)動(dong)要比電(dian)子(zi)運(yun)動(dong)遲鈍?因此(ci)原子極(ji)化不可能像電子極(ji)化一樣在(zai)很高頻下發生(sheng)?原子極化所需的時間約為(wei)10^-13S?發生的(de)頻(pin)率(lv)范(fan)圍是10¹⁹-10¹³Hz。

電(dian)子極化(hua)和原子極化(hua)兩者都是(shi)在分子內(nei)的(de)正負電(dian)荷中心(xin)發生位(wei)移?或(huo)者(zhe)可稱為分子形(xing)變和分子畸變?因此這些(xie)過程也可(ke)稱為位移(yi)的形變或者畸變?而所產生的偶極距被稱為誘導(dao)偶極距。

3）取向極化(hua)

電場(chang)作用(yong)下?電介(jie)質分子中具有的(de)偶(ou)極距會由原來的(de)雜(za)亂無章變成(cheng)排列有序的(de)狀態?由此產生取向(xiang)極化。這種極化一般需(xu)要一、?發生的頻(pin)率范圍是護(hu)。在不加外(wai)電場時(shi)?分子(zi)的(de)熱運動會使偶極(ji)距雜亂無章?指向(xiang)各個方向(xiang)的機會(hui)均等?總(zong)的均(jun)偶極(ji)距仍(reng)然等于零(ling)?加(jia)上(shang)外電場?偶極距會發生(sheng)移動?沿著電場(chang)方向(xiang)規(gui)則排列起來?從而發生取向極化(hua)。

4)界面極化

前面(mian)的三種極(ji)化是(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)均(jun)勻介(jie)質(zhi)中發生的，在(zai)(zai)(zai)非均(jun)相介(jie)質(zhi)中還存在(zai)(zai)(zai)界(jie)面(mian)極(ji)化，它(ta)是(shi)(shi)指非均(jun)勻介(jie)質(zhi)在(zai)(zai)(zai)電場的作用(yong)下電子(zi)或者(zhe)離子(zi)堆積(ji)在(zai)(zai)(zai)非均(jun)相的交界(jie)處所表現的極(ji)化現象。界(jie)面(mian)極(ji)化可以看成(cheng)是(shi)(shi)由缺陷(xian)偶極(ji)距形(xing)成(cheng)的，缺陷(xian)偶極(ji)距就是(shi)(shi)在(zai)(zai)(zai)結構(gou)缺陷(xian)處形(xing)成(cheng)的偶極(ji)子(zi)，在(zai)(zai)(zai)非均(jun)相介(jie)質(zhi)中兩(liang)種物質(zhi)的交界(jie)面(mian)結構(gou)是(shi)(shi)不(bu)均(jun)勻的，也(ye)認為是(shi)(shi)一(yi)種缺陷(xian)，在(zai)(zai)(zai)電場的作用(yong)下形(xing)成(cheng)很大(da)的偶極(ji)距，因為這種極(ji)化牽(qian)涉(she)到很大(da)的極(ji)化質(zhi)點，所以松弛時間較長(chang)，一(yi)般(ban)為10^-4-10⁴秒(miao)，發生的(de)頻率范圍是10^-5-10²Hz。

各種極(ji)化機制(zhi)的頻(pin)率范圍