介电材料

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简介

介电材料在固体物理学的研究中起着重要作用。众所周知，物质可以存在三种状态。它们是气态、固态和液态。原子、离子或分子结合形成物质。固体物理学是物理学的一个分支，它描述了物质在固体或固态下的物理性质。

最初，该领域被认为是金属学的一个分支，后来扩展到所有类型固体的研究领域。这个科学领域处于当今现代科学和技术的前沿。该领域在电子学、集成电路设计和各种精密仪器的开发中尤其重要。

什么是介电材料？

• 具有恒定电偶极矩的材料称为介电材料。

• 如果一种材料在施加电场时具有形成大量感应电偶极矩的特性，则称该材料为介电材料。

• 此外，这种材料没有自由电子。由于电场的作用，这种材料的行为会发生变化。

• 这些材料大多用于存储电能。所有导电材料都可以是绝缘体。但并非所有绝缘体都是介电材料。

什么是介电常数？

• 介电常数是介质的介电常数与真空的介电常数之比。通过该值可以了解材料的介电特性。

• 介电常数是决定绝缘材料吸收电流量的特性。随着介电常数的增加，绝缘材料的电容也会增加。

真空介电常数

$$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}=\frac{C}{C_0}}$$

$\mathrm{\varepsilon}$ = 介质的介电常数

$\mathrm{\varepsilon_0}$ = 真空的介电常数

C= 充满介电材料的平行板电容器的电容

$\mathrm{C_0}$ = 真空中充满介电材料的平行板电容器的电容

• 介电常数是衡量介电材料电极化性质的特性。

$$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{E_0}{E_0-E_p}}$$

$\mathrm{E_0}$ = 外加电场

$\mathrm{E_p}$ = 极化电场

如果材料中的极化越多，则$\mathrm{E_p}$ 将越大。因此，在这种情况下，$\mathrm{\varepsilon_r}$ 将更高。

介电常数单位

此值没有单位。因为介电常数的公式为$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$

它是相同量之间的比率。

$\mathrm{\varepsilon}$ = 介质的介电常数

$\mathrm{\varepsilon_0}$ = 真空的介电常数

介电常数符号

介电常数的符号为$\mathrm{\varepsilon_r}$。在某些情况下，介电常数也表示为 k。

$$\mathrm{k=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$$

这里 k 是希腊字母kappa。

介电常数背后的理论

• 介电材料是一种非金属材料，具有高电阻率和抗热阻率。介电材料在电子设备中发挥着非常重要的作用。

• 介电材料的主要特性是，当施加电场时，材料会发生极化。

• 介质的介电特性定义为其介电常数。它表示物体的极化性质。其单位为$\mathrm{法拉每米}$

例如，真空介电常数的值为$\mathrm{\varepsilon_0=8.854\times 10^{−12}\: F/m}$

介电常数值

介电常数值是使用公式$\mathrm{\varepsilon_r=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}}$计算的。例如，水在室温（25°C 或 77°F）下的介电常数为78.39。水的较高沸点是由于水中存在氢键。对于空气，在相同温度下的介电常数值为1.00059。

影响介电常数的因素

温度

• 介电材料也可用于高温应用。这些材料应该能够承受高温而不影响其他性能。

频率

• 当材料中的静态偶极矩被电场旋转或存在离子时，它们从一个平衡位置跳到另一个平衡位置，在射频范围内，介电材料中会发生放电。

结论

介电材料是具有恒定电偶极矩的材料。我们在固体物理学中研究介电材料。如果一种材料在施加电场时具有形成大量感应电偶极矩的特性，则称该材料为介电材料。

介电常数是决定绝缘材料吸收电流量的特性。介电材料的主要特性是，当施加电场时，材料会发生极化。水的介电常数为 78.39，空气的介电常数为 1.00059。云母、橡胶、玻璃和陶瓷是一些介电材料的例子。

常见问题

Q1. 什么是介电强度？

答：介电强度是材料单位厚度引起介电击穿所需的最小电压。随着材料温度、湿度和使用寿命的增加，材料的介电强度降低。其单位为$\mathrm{伏特每米}$

Q2. 什么是介电损耗？

答：

• 当交流电场施加到介电介质时，电场的大部分能量被介质吸收。介电损耗是指能量损耗。

• 因此，介质中的分子由于吸收能量而升温。因此，吸收的能量以热能的形式损失。这种能量损失称为介电损耗。

Q3. 什么是电容器？

答：电容器是一种帮助存储电荷和电能的设备。它由两个在一定间隔内分开的导体组成。电容器广泛应用于许多电子电路和许多科学技术领域。在极板之间插入云母、玻璃或纸等介电材料会改变电容器的电容。

Q4. 什么是电极化？

答：正电荷沿电场方向的位移和负电荷沿相反方向的位移在物体中产生偶极子。因此，当电场施加到介电材料上时，它会表现出极化。偶极子形成的现象称为极化。它取决于所施加电场的频率和温度。

Q5. 定义介电击穿

答：

• 介电材料是指高电阻和负温度电阻系数的材料。

• 在介电材料中，随着场强的增加，电荷位移也增加。

• 在某个可变场值以上，介电材料会发生电击穿，电流会通过。介电击穿有很多原因。

Q6. 解释绝缘材料的化学性质

答：

• 当绝缘材料与导体一起放置时，绝缘材料的性能会发生变化。

• 例如，当橡胶添加到铜中时，会发生化学反应。为了防止化学反应，应在铜的表面涂上一层锡。

• 耐化学腐蚀的材料可以被认为是最佳的绝缘材料。

Q7. 定义电极化率

答：将介电材料置于电场中会产生电极化。因此，极化矢量 P 与电场 E成正比。即，

$$\mathrm{极化矢量\:P\varpropto\:电场\:E}$$

$$\mathrm{P\:\varpropto\:E}$$

$$\mathrm{P=\chi^{E}}$$

$$\mathrm{\therefore\:\chi=\frac{P}{E}}$$

因此，电极化率是极化矢量与外加电场之比。