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邓宏李波2015《近代电介质理论》DIELECTRIC STRENGTH AND INSULATION BREAKDOWN一、电介质击穿（Dielectric Breakdown ）UIOU bU b 为击穿电压（击穿电场E b =U b /d，d为介质厚度）导体电介质由绝缘体击穿时，当常数在低电压区满足：→⇒⇒∞→==Ubb dUdI U U dUdI击穿的分类：•本征击穿（Intrinsic Breakdown ）：电击穿；•非本征击穿：热击穿（Thermal Breakdown ）；•放电击穿（Discharge Breakdown ）•击穿是一种原子或分子聚集体的集体现象。
•“自愈现象”（Self-Healing ）：气体（包括一些液体介质），在电场的作用下被击穿，当外电场撤除后，气体介质又恢复其绝缘性能。
•固体介质的击穿是永久性的。
二、气体介质的击穿)/(2m A j )/(m V E IIIIII1E iE Sj bE 如电场很高，例如E>108V/m ，离子在电场中获得很高的能量而产生新的碰撞和电离，使N 随E 的增大指数增加，导致电流的指数增大。
1002003004001010 1010 10 10 10 1010100 HGFEV Vs与初始引发有关着火电压VDCA常见的放电形式：AC 段属于非自持放电-火花放电自持放电正常辉光放电区EF 段-辉光放电欠正常的辉光放电区CD 段-电晕放电起辉电压异常辉光放电FG 段弧光放电GH 段放电维持电压辉光放电发光区域及光强分布图当辉光放电时，在放电管内形成明暗交替的辉光放电区。
其中包括II 负辉区、III 法拉弟暗区、IV 正柱区（等离子区）、I 阴极光膜和V 阳极辉区五个发光区。
其中前两者发光较强，以负辉区发光最强，是作为PDP 的主要发光源，等离子体显示板工作在II 、III 、IV 形成的负阻区。
汤申特(Townsend) 碰撞游离理论1. 碰撞游离的必要条件：EVE q W L L L E q W E W W ii i =⋅≥∴⋅⋅=≥ 电荷的运动距离—为：的作用下所积累的能量一个电荷在电场（分子的游离能量）（电子的积累能量），且满足：金属电极表面逸出电子∵•多级碰撞，如果碰撞能量较小但之间间隔周期很短，可能使分子游离；•电子与受激的中性分子碰撞，中性分子回到零位状态，而电子被加速能量增大，可使下一个中性分子游离；•两个受激的分子碰撞，一个交出能量，而另一个获得能量而游离。
极化：在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质的极化。
偶极矩：彼此相距为l 的异号电荷±q 组成的电偶极子，偶极矩为μ=ql ，方向由负电荷指向正电荷自发极化：无外场作用，晶体的正、负电荷中心不重合而出现电偶极矩的现象。
这些电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。
在垂直于极化轴的表面上，单位面积的自发极化电荷量称为自发极化强度。
铁电性：具有自发极化，且自发极化的方向能随外施电场的方向而改变的性质。
反铁电性：反铁电相的自由能与其铁电态自由能接近，因而在外电场作用下，它可由反极性相转变到铁电相，故可观察到双电滯回线。
热释电效应：由于温度的变化而引起晶体特定方向上的表面荷电的现象。
它由于晶体受热膨胀而引起正、负离子相对位移，从而导致晶体的总电矩发生改变，与压电效应类似，具有对称中心的晶体不会具有热释电效应。
电滞回线：在较强的交变电场作用下，铁电体的极化强度P随外电场呈非线性变化，而且在一定的温度范围内，P表现为电场E的双值函数，呈现出滞后现象。
分解说明：OA段—施加E后，顺电场方向的畴增加，而逆电场方向的畴逐渐减少。
P随E的升高而增加，直到整个晶体成为一个单一的极化畴。
抵达 B点—所有的畴都沿电场E方向排列，饱和。
BC段—E继续增加，类似一般的电介质，只是发生电子、离子的位移极化，P-E呈线性关系。
电场减小，P一般不回到零，而是沿C→B→D变化。
即使E减小为零，仍有部分电畴保持正方向占优势。
晶体出现剩余极化—Pr(OD). 当电场反向时，E达到某一数值（E=OF），P=0。
矫顽电场Ec=是极化强度重新为零的电场。
FG段——电场沿反方向继续增大，所有电畴完全沿负方向定向排列，抵达G点—反向自发极化达到饱和。
GH段—类似BC段。
当E在反方向减小且逐渐沿正向变化，按照HGI→BC返回，形成电滞回线。
居里温度：铁电(或反铁电)陶瓷只在某一温度范围内才具有铁电(反铁电)性，它有一临界温度Tc。
第四章 电磁介质第一节 电介质一、电介质—绝缘介质1.电介质内没有可以自由移动的电荷 在电场作用下，电介质中的电荷只能在 分子范围内移动。
2.分子电矩·分子—电偶极子(模型)分子的正负电中心相对错开。
·分子电矩二、电介质的极化1.极性电介质的极化p 分+- 电介质分子(1) 极性分子·正常情况下，内部电荷分布不对称， 正负电中心已错开，有固有电矩p 分， ·极性分子：如HCl 、H 2O 、CO 等。
(2)无外电场时·每个分子p 分 ≠ 0·由于热运动，各p 分取向混乱·小体积∆V (宏观小、微观大，内有大量 分子)内 ∑ p 分= 0(3)有外电场时·各 p 分向电场方向取向(由于热运动，取向 并非完全一致)外有外电场 无外电场分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称取向极化2.非极性电介质的极化(1)非极性分子·正常情况下电荷分布对称，正负电中心重 合，无固有电矩。
·非极性分子：如He 、 H 2、 N 2、 O 2、 CO 2等。
(2)无外电场时·每个分子 p 分 = 0·∆V 内∑ p 分 = 0 (3)有外电场时·正负电中心产生相对位移，p 分(称感应电矩) ≠ 0E 外分 ·且外电场越强 ⇒ | ∑ p 分| 越大·这种极化称位移极化三、电极化强度1.电极化强度·为描写电介质极化的强弱，引入电极化强度矢量。
·定义：单位体积内分子电矩的矢量和或·P 是位置的函数·单位： C/m 2·对非极性电介质，因各p 分相同，有 P = n p 分n ---单位体积内的分子数·综上，对极性、非极性电介质都有 无外电场时， P = 0 有外电场时，P ≠ 0且电场越强 ⇒ | P | 越大2.电极化强度和场强的关系·由实验，对各向同性电介质，当电介质中 电场E 不太强时，有·χe ：电极化率(χe ≥ 0)，决定于电介质性质。
·E ：是电介质中某点的场强(包括该点的外 电场以及电介质上所有电荷在该点产生的电场)。
·对各向同性介质： P ∝ EP ↑↑ E四、束缚电荷电介质极化后，在电介质体内及表面上可以出现束缚电荷(又称极化电荷)。
1.体束缚电荷(1)体束缚电荷·考虑电介质体内面元d S处的极化·以位移极化为例，设负电中心不动，·在电场作用下，d V= l分d S cosθ内所有分子的正电荷中心将越过d S面。
·越过d S面元的总电荷d q'= q分n(l分d S cosθ)= np分cosθ d S= P cosθ d Sd q ' = P ⋅ d S·在电介质体内取任一封闭曲面S ，则净穿 出整个封闭面的电荷为q '出= ⎰ S P ⋅dSq '内 = - q '出 电介质体内任一封闭面内的束缚电荷 为(2)可以证明：对均匀电介质，若电介质体内 无自由电荷，则不管电场是否均匀，电介 质体内都无束缚电荷。
(我们只讨论均匀电介质，即以后只考虑下面所说的表面上的束缚电荷)2.面束缚电荷·若前述d S面元刚好在电介质表面上，n 即电介质的外法线方向，则d q' = P⋅ d S即为电介质表面d S面积上的束缚电荷。
·单位面积上的束缚电荷σ' = d q' /d S束缚电荷面密度n—电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)·如图电介质五电位移矢量D D的高斯定理'-n·由于电介质极化后会出现束缚电荷，空间某点的电场应是由自由电荷与束缚电荷共同产生的。
E = E f + E '·怎样求E？E = E f + E 'Pσ'本想求E E才能求出E ”，情况复杂。
·引入一辅助矢量（一）、电位移矢量D，D的高斯定理·由真空中的高斯定理⎰S E⋅d S = ∑q内/ε0∑q内应包括高斯面所包围的自由电荷与束缚电荷。
∑q内= ∑q f内+∑q'内·由前，高斯面包围的束缚电荷为 ∑q '内 = - ⎰ S P ⋅dS·于是⎰S ε0E ⋅dS =∑q f 内 - ⎰ S P ⋅d S⎰S ( ε0E + P )⋅d S =∑q f 内·引入电位移矢量单位: C/m 2·D 的高斯定理通过任意封闭曲面的电位移通量等于该封闭面所包围的自由电荷的代数和。
（二）、关于D 的讨论1.对D的理解(1) D只和自由电荷有关吗?·D的高斯定理说明D在闭合面上的通量只和自由电荷有关，这不等于说D只和自由电荷有关。
·由D = 0E + P，也说明D既和自由电荷又和束缚电荷有关( E是空间所有电荷共同产生的)。
(2)电位移线·类似于电场线(E线)，在电场中也可以画出电位移线(D线)；·由于闭合面的电位移通量等于被包围的自由电荷，所以D线发自正自由电荷；止于负自由电荷。
2. D、E、P的关系(1)一般关系D = ε0E + P(2)对各向同性电介质(且场强不太大时) ·因P = ε0χe E 代入上式，D = ε0E + ε0χe E = ε0(1+ χe ) E·引入：相对介电常数εr = (1+ χe )， (εr ≥ 1) 介电常数 ε = ε0 εr·P 可写作P = ε0(εr -1)E·对各向同性电介质(且场强不太大时) D ∝ E ，且二矢量同向。
第2节磁介质（一）分子电流观点一、磁介质及其分类1.磁介质：能够影响磁场的物质。
2.分类(1)弱磁性物质·顺磁质·抗磁质(2)强磁性物质铁磁质二、分子电流分子磁矩1.分子电流·分子中电子有轨道运动自旋运动·分子中所有电子的运动形成分子电流(可看成是一通电小圆线圈)。
2.分子磁矩(1) 电子的轨道磁矩 ·轨道半径—r (圆轨道) 电子速率—υ ·轨道电流·电子轨道磁矩对氢原子基态， p m = 0.93⨯10-23 A ⋅m 2 ·电子轨道角动量(圆轨道) L = m υ r m —电子质量·电子轨道磁矩与轨道角动量的关系(2)电子自旋磁矩p m= IS = ( ) π r 2=e υ 2πr e υ r 2 p m = - ( )Le2mI = e ( )υ 2πrp·实验证明：电子有自旋磁矩p s = 0.927⨯10-23 A ⋅m 2·自旋磁矩和自旋角动量S 的关系(3)分子磁矩p 分 =[ ∑所有电子(p m + p s )] +∑ p 核p 核 — 核(自旋)磁矩分子磁矩是分子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩与所有核磁矩的矢量和。
三、顺磁质的磁化在外磁场作用下磁介质出现磁性或磁性发生变化的现象称磁化。
1.顺磁质(如铝、铂、氧)·无外磁场时， p 分 ≠ 0 (固有磁矩) 由于热运动，其取向混乱ep S = - ( ) Sm·∆V (宏观小微观大)内 ∑p 分= 02.顺磁质的顺磁性·有外磁场时，p 分沿外磁场取向， ∆V 内 ∑p 分 ≠ 0 ·p 分取向后，产生附加磁场B ' B = B 0 + B 'B ' ↑↑B 0 ， (B '<<B 0) 此即顺磁质的顺磁性，p 分取向则是顺磁性的来源。
3.顺磁质的抗磁性无外磁场 有外磁场 B 0(1)外磁场对电子轨道运动的作用·当分子处于外磁场中时，电子的轨道运动 会受一力矩 M = p m ⨯ B 0·在力矩作用下，L 绕B 0进动。
根据是角动量定理(2)附加磁矩·由于进动，电子产生了附加磁矩∆p m 。
·不管电子轨道运动方向如何， 附加磁矩总与外磁场方向相反。
d Ld tM = B⊗MB 0 ⊙·对自旋磁矩，外磁场也有同样作用。
(3)感应磁矩·感应磁矩：分子中所有附加磁矩的矢量和。
·∆p感总与外磁场方向相反，此即抗磁性的来源。
(4)顺磁质的抗磁性可以忽略·对顺磁质| p分| >> |∆p感|·顺磁质主要表现为顺磁性。
四.抗磁质的磁化·抗磁质：如铋、汞、铜、氢。
·抗磁质分子没有固有磁矩(p分= 0)，只有感应磁矩∆p感·抗磁质表现为抗磁性。
·对抗磁质B = B0 + B'B'↑↓B0，(B'<<B0)五、磁化强度矢量1.定义：单位体积内分子磁矩的矢量和·对抗磁质，M则为分子感应磁矩的矢量和。
·单位：A/m2.磁化强度随磁场增强而增大·对顺磁质、抗磁质均如此·具体定量关系见后六、磁化电流磁介质磁化后，在磁介质体内和表面上可出现磁化电流。
1.磁化体电流(1) 磁化体电流·在磁介质体内取面元∆S ，现在求通过它的 磁化电流I '。
·穿过∆S 两次的i 分对I '无贡献，和∆S 的 边界相套住的i 分(只穿过∆S 一次) 对I '有贡献。
·与边界上d l 段套住的分子电流： (凡中心在d V 内的i 分将套住d l ) d I '= i 分 n d V = i 分n (S 分⋅d l ) = n (p 分⋅d l ) = M ⋅d l·与∆S 的整个边界L 相套住的分子电流ni 分—穿过∆S 的磁化电流 I '= ⎰L d I '= ⎰L M ⋅ d l 磁化体电流(2)可以证明，在均匀磁介质内部，不管磁场是否均匀，在没有传导电流的地方，也没 有体磁化电流。
2.磁化面电流·若d l 正好在磁介质边界上，则d I '表现为 磁化面电流。
磁化面电流密度：磁介质表面垂直于电流 方向的单位宽度上的电流。
大小：j '= d I '/ d l = M ⋅d l / d l =M l(当M 和表面平行时， j '= M )方向：⊥ M可综合写作n —磁介质表面的外法线方向的单位矢量(方向：由磁介质体内→体外)·均匀磁化 介质棒表 面的磁化 电流j '式亦可由I '式用环路a-b-c-d 得出(请自 己做)。
