介电材料的特性、种类和应用特点
材料根据其导电性能分为导体、绝缘体和半导体,每种材料都是由分子组成的,而分子又由原子组成。当受到电场作用时,材料中的这些原子会发生一定的位移和性质的变化。
1745年10月,德国物理学家埃瓦尔德·格奥尔格·冯·克莱斯特(Ewald Georg von Kleist)通过将高压静电发生器连接到使用电线收集在手持罐中的一定体积的水进行一项实验,结果发现可以存储电荷。利用这种现象,彼得·范·穆森布罗克(Pieter van Musschenbroek)发明了第一个名为“Leyden Jar”的电容器,而支持这项发明的新材料特性是“介电材料(电介质)”。
什么是介电材料?
众所周知,每种材料都是由原子组成的。原子包含带负电和带正电的粒子,原子的中心核带正电。在任何材料中,原子排列为偶极子,其末端带有正电荷和负电荷。当这些材料受到电场作用时,会发生偶极矩。
通电后,导体材料开始导电,而绝缘体不导通电流,因为它的结构中没有任何自由移动的电子。但是,介电材料是一种特殊类型的绝缘体,它不导电,不过在通电时会发生极化。
在介电材料中,当受到电场作用时,材料中存在的正电荷会在施加电场的方向上发生位移,而负电荷向与外加电场相反的方向移动,这导致介电极化。在介电材料中,电荷不会流过材料,极化降低了电介质的总电场。
介电材料的特性
介电材料一词最先是由威廉·惠威尔提出,它是两个词的组合——“Dia”和“electric”。完美介电材料的电导率为零。介电材料存储和耗散电能,类似于理想电容器。介电材料的一些主要特性是电敏感性、介电极化、介电色散、介电弛豫、可调谐性等……
1、电敏感性
介电材料在受到电场作用时极化的难易程度是通过电敏感性来测量的,这个量也决定了材料的电导率。
2、介电极化
电偶极矩是系统中负电荷和正电荷分离的量度,偶极矩 (M) 和电场 (E) 之间的关系产生了电介质的特性。当施加的电场被移除时,原子恢复到其原始状态,这以指数衰减方式发生。原子达到其原始状态所需的时间称为弛豫时间。
3、全极化
有两个因素决定介电材料的极化,它们是偶极矩的形成及其相对于电场的方向。基于基本偶极子类型,可以有电子极化或离子极化。当形成偶极矩的介电分子由中性粒子组成时,会发生电子极化Pe 。
离子极化Pi和电子极化都与温度无关。当不同原子之间的电荷分布不对称时,分子中会产生永久偶极矩。在这种情况下,观察到取向极化 Po 。如果介电材料中存在自由电荷,它将导致空间电荷极化Ps。
电介质的总极化涉及所有这些机制,所以,介电材料的总极化为:P总计= Pi + Pe + Po + Ps。
4、介电色散
当P是电介质达到的最大极化时,tr是特定极化过程的弛豫时间,电介质极化过程可以表示为:
P(t) = P[1-exp(-t/t r )]
弛豫时间因不同的极化过程而异。电子极化非常迅速,随后是离子极化,取向极化比离子极化慢,而空间电荷极化非常缓慢。
5、介电击穿
当施加更高的电场时,绝缘体开始导电并表现为导体。在这种情况下,介电材料会失去其介电性能,这种现象称为介电击穿。这是一个不可逆的过程,这会导致介电材料失效。
介电材料的种类
介电材料根据材料中存在的分子类型进行分类,主要有两种类型的电介质——极性介电材料和非极性介电材料。
1、极性介电材料
在极性介电材料中,正粒子的质心与负粒子的质心不重合,这里存在偶极矩,分子形状不对称。当施加电场时,分子自身与电场对齐。当去除电场时,观察到随机偶极矩,分子中的净偶极矩变为零。例如 H2O、CO2等……
2、非极性介电材料
在非极性介电材料中,正粒子和负粒子的质心重合。这些分子中没有偶极矩,而且分子形状是对称的。非极性电介质的例子有H2、N2、O2等……
介电材料实例
介电材料可以是固体、液体、气体和真空。固体介电材料在电气工程中得到了广泛应用,常见的实例包括瓷器、陶瓷、玻璃、纸等;而干燥空气、氮气、六氟化硫和各种金属的氧化物是气态介电材料的实例;蒸馏水、变压器油是液体电介质的常见实例。
介电材料的应用
介电材料的应用主要包括以下几个方面内容:
- 用于电容器中的能量存储。
- 为提高半导体器件的性能,使用了高介电常数介电材料。
- 用于液晶显示器。
- 陶瓷电介质用于介电谐振器振荡器。
- 钛酸锶钡薄膜是电介质,用于微波可调谐器件,可提供高可调谐性和低漏电流。
- 聚对二甲苯用于工业涂料中,充当基材和外部环境之间的屏障。
- 在电力变压器中,矿物油用作液体电介质,它们有助于冷却过程。
- 蓖麻油用于高压电容器以增加其电容值。
- 驻极体是一种经过特殊处理的介电材料,其静电等效于磁铁。
总结
不难看出,介电材料构成了电容器的重要组成部分。优质的介电材料应具有良好的介电常数、介电强度、低损耗因数、高温稳定性、高储存稳定性、良好的频率响应,并应能适应工业过程。另外,电介质在高频电子电路中也起着至关重要的作用。
需要注意的是,尽管介电材料表现为绝缘体,但并非所有绝缘体都是介电材料。