电介质物理概论
电介质物理概论
概论·电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的物质称电介质。电介质的特征是以正负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响。·电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷在电场（包括电频电场和光频电场）作用下的电极化过程：阐明其电极化规律与介质结构的关系：揭示其宏观介电性质的微观机制，进而发展电介质的效用
概论 • 电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的物质， 称电介质。电介质的特征是以正负电荷重心不重合的 电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响。 • 电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷在电 场（包括电频电场和光频电场）作用下的电极化过程； 阐明其电极化规律与介质结构的关系；揭示其宏观介 电性质的微观机制，进而发展电介质的效用
概论·电介质的分类：电介质可以是气态、液态、固态，分布极广。电介质不必一定是绝缘体，但绝缘体是典型的电介质。广义上说，电介质不仅包括绝缘材料，而且还包括多种功能材料。一般把电介质分成了两大类：（1）极性电介质（2）非极性（中性）电介质。由极性分子组成由非极性分子组成
概论 • 电介质的分类：电介质可以是气态、液态、固态，分 布极广。电介质不必一定是绝缘体，但绝缘体是典型 的电介质。广义上说，电介质不仅包括绝缘材料，而 且还包括多种功能材料。一般把电介质分成了两大类： ⑴极性电介质 ⑵非极性（中性）电介质。 由极性分子组成 由非极性分子组成
概论·影响电介质分子极性大小的因素：1．分子化学结构，分子结构对称，分子正电荷重心和负电荷重心均与其对称中心相重合，则分子为非极性的，反之分子结构不对称，则分子为极性的。2.原子的正负性（表示元素原子在分子中吸收电子的能力，它等于原子的电离能和电子亲合能之和3。原子在分子中的排列相对位置
概论 • 影响电介质分子极性大小的因素： 1. 分子化学结构，分子结构对称，分子正电荷重心和 负电荷重心均与其对称中心相重合，则分子为非极 性的，反之分子结构不对称，则分子为极性的。 2. 原子的正负性（表示元素原子在分子中吸收电子的 能力，它等于原子的电离能和电子亲合能之和） 3. 原子在分子中的排列相对位置
概论·电介质物理的基本研究课题电介质的极化和弛豫·电极化过程与物质结构密切相关，电介质物理学的发展总是与物质结构的研究相呼应，电极化的三个过程：1.原子核外电子云的畸变极化，即电子位移极化：2、分子中正负离子的相对位移极化，即离子位移极化：3.分子固有电矩的转向极化
概论 • 电介质物理的基本研究课题——电介质的极化和弛豫 • 电极化过程与物质结构密切相关，电介质物理学的发 展总是与物质结构的研究相呼应，电极化的三个过程： 1. 原子核外电子云的畸变极化，即电子位移极化； 2. 分子中正负离子的相对位移极化，即离子位移极化； 3. 分子固有电矩的转向极化
概论介质的相对介电常数?是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率0的函数；只当频率为零或频率很低（例如1KHZ）时，三种微观过程都参与作用，此时介电常数为：8（0）随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，介电常数取复数形式：(の) = (の)-i (の)
概论 • 介质的相对介电常数ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量， 它是频率ω的函数； • 只当频率为零或频率很低（例如1KHZ）时，三种微观过程都参 与作用，此时介电常数为：ε(0) • 随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变 化，介电常数取复数形式： ( ) ( ) ( ) ' " = − i
概论，实部（）随频率的增加而下降；虚部（）代表介质的损耗，虚部出现峰值，这种变化规律称弛豫型；介电常数随频率变化的现象称色散现象：偶极子转向极化在电频范围的色散现象属于弛豫色散，这是由于分子间相互碰撞或周围分子的束作用而引起的红外区：8（）先突然增加，随即徒然下降，同时（の）又出现峰值：可见光区以至到紫外区：实部取最小值，称光频介电常数
• 实部 随频率的增加而下降； • 虚部 代表介质的损耗，虚部出现峰值，这种变化规律称弛豫 型； • 介电常数随频率变化的现象称色散现象； • 偶极子转向极化在电频范围的色散现象属于弛豫色散，这是由于 分子间相互碰撞或周围分子的束缚作用而引起的； • 红外区 ： 先突然增加，随即徒然下降，同时 又出现峰值； • 可见光区以至到紫外区：实部取最小值，称光频介电常数。 ( ) ' ( ) " ( ) ' ( ) " 概论
180.000-80te7060℃-50c-40℃-20℃or20℃40℃60℃18.8009011.000:100130.810.801-2-101234567B910LOG(FREQUENCYCHZJ)Dielectricloss ofGlycerol (FromHofmann et al 1994)
Dielectric loss of Glycerol (From Hofmann et al 1994)
(Sri-1.5xBi.)TiO2000(Sr,-15,Bi,)Tiox=0.053315001000400500200001500X=0.1一1000w4005001o200o01500x=0.2100050030011500O050100150200250300T(K)Courtesy.Chen Ang,Physical Rev.B, V61,No.2,p.957,2000
(Sr1-1.5xBix )TiO3 Courtesy: Chen Ang, Physical Rev. B, V61, No. 2, p. 957, 2000
概论·在某些光频频率附近，实部先突然增加随即徒然下降，下降部分称反常色散，与此同时，虚部出现强烈的吸收，有很大的峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收：根据电磁波理论，介质对光的折射率n的平方等于相对介电常数在极高的光频电场作用下，只有电子过程才起作用。2n=88共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程，弛豫过程决定于微观粒子间的相互作用，当相互作用很强时，色散曲线和吸收曲线过渡到极端的弛豫型
• 在某些光频频率附近，实部先突然增加随即徒然下降，下降部分 称反常色散，与此同时，虚部出现强烈的吸收，有很大的峰值， 这对应于电子跃迁的共振吸收； • 根据电磁波理论，介质对光的折射率n的平方等于相对介电常数， 在极高的光频电场作用下，只有电子过程才起作用。 • 共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程，弛豫过程决定 于微观粒子间的相互作用，当相互作用很强时，色散曲线和吸收 曲线过渡到极端的弛豫型。 = 2 n 概论