第三章 材料的介电性能
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一块1cm?4cm?0.5cm的陶瓷介质，其电容为2.4?10?6?F，损耗角正切tan??0.02，试求介质的相对介电常数和在11kHz下介质的电导率。解：C??r?0A/d?Cd2.4?10?6?10?6?0.5?10?2?r???3.39?12?2?2?0A8.85?10?1?10?4?10 ?tan??
????tan???'??'?0.02?11?103?3.3?8.85?10?12?6.43?10?92.
给出典型的铁电体的电滞回线，说明其主要参数的物理意义和造成P-E非线性关系的原因。
试说明压电体、热释电体、铁电体各自在晶体结构上的特点。 （P130）
BaTiO3陶瓷和聚碳酸酯都可用于制作电容器，试从电容率、介电损耗、介电强度，以及温度稳定性、成本等方面比较它们各自的优缺点。
使用极化的压电陶瓷片可制得便携式高压电源。压电电压常量g33可定义为开路电场对所加应力的比，现已选用成分为2/65/35的PLZT陶瓷制作该高压电源。若已知该材料
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g33?23?10?3Vm/N，试计算5000磅/英寸应力加到1/2英寸厚的这种陶瓷片上可产
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生的电压。 6.
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补充习题
1. 什么是电介质？
答：在电场的作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质称为电介质。 2. 简述电介质与金属的区别。
答：金属的特点是电子的共有化，体内有自由电子，具有良好的导电性，以传导的方式传递电的作用；而电介质只有被束缚的电荷，以感应的方式传递电的作用。 3. 电介质的四大基本常数是什么？各自代表什么物理意义？
答：电介质的四大基本常数是：电极化（介电常数）、电导、介电损耗和击穿。 介电常数是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用； 电导是指电介质在电场作用下存在泄露电流； 击穿是在强电场作用下可能导致电介质的破坏。
4. 电介质的极化包括哪几种？各种极化是如何产生的？
答：电介质的极化包括电子位移极化、离子位移极化和固有电距的转向极化。 在电场的作用下，构成电介质的原子、离子中的电子云发生畸变，使电子云与原子核发生相对位移，在电场和恢复力的作用下，原子具有一定的电偶极矩，这种极化为电子的位移极化。
在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。在电场作用下，正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动，正负离子发生相对位移，形成偶极矩，这种极化就是离子位移极化。
分子具有固有电矩，而在外电场作用下，电矩的转向所产生的电极化称为转向极化。 5. 固体电介质的电导有哪几种类型？说明其对电导的影响及与温度的关系。
答：固体电介质的电导主要包括离子电导、电子电导和表面电导。
当离子晶体中存在热缺陷时，脱离格点的离子将参与电导。对于未掺杂的电介质材料，离子电导对电介质电导的影响主要与热缺陷的数目有关，而热缺陷的数目随着温度的升高而增加；而对于掺杂的电介质而言，温度较低时，晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材料的化学纯度及掺杂量。因此，在低温区域，离子电导随温度变化缓慢，主要取决于杂质，而在高温区域，随温度变化显著，离子电导取决于本征热缺陷。 在电介质材料中，由于禁带宽度很大，本证载流子参与的电子电导对材料的电导影响很小。参与杂质后，由于在导带底形成施主能级或在价带顶形成受主能级，所以电子电导
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显著增大。电子电导与环境温度和氧分压有很大关系，在室温和低温下，电子电导常常起着主要作用。
表面电导不仅与材料本身的性质有关，而且在很大程度上取决于材料表面的湿润、氧化和玷污状态，温度对表面电导有很大影响，在潮湿环境中，表面电导….. 6. 什么是固体电介质的击穿？分为哪几类？请分别解释。
答： 固体电介质的击穿就是在电场的作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。
固体电介质击穿主要包括电击穿、热击穿、局部放电击穿和树枝化击穿。
电击穿是当固体电介质承受的电压超过一定的数值时，就使相当大的电流通过其中，使电介质丧失绝缘性。
当固体电介质在电场作用下，由电导和介质损耗产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，最终造成介质永久性的热破坏，这就是热击穿。
局部放电就是在电场作用下，在电介质局部区域中所发生的放电现象，这种放电现象没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有被击穿。
树枝化击穿是指在电场作用下，在固体电介质中形成的一种树枝状气化痕迹，树枝是介质中直径以数微米的充满气体的微细管子组成的通道。 7. 固体电介质的击穿受什么因素制约？
答：固体电介质的击穿电场强度主要取决于材料的均匀性；大部分材料在交变电场下的击穿强度低于直流下的击穿电场强度，在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿电场强度下降的更厉害，并且材料的介电常数越大，击穿电场强度下降的越多；无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征，发生纯粹电击穿的情况并不多见；在室温附近，高分子电介质的击穿电场强度往往比陶瓷等无机材料要大；在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿电场强度急剧下降。
8. 对于介质损耗较高的固体介质材料，在高频下的主要击穿形式是热击穿。
9. 铁电体：在某温度范围具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向的一类晶
体。
10. 描述电滞回线最重要的参数是自发极化强度和矫顽电场强度。 11. 铁电体可以分为有序无序型铁电体和位移型铁电体。 12. 铁电体是热释电体的一亚族。
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13. 由于机械作用而使介质发生极化的现象称为正压电效应。 14. 铁电体中的电畴结构受什么因素制约？
答： 实际晶体中的畴结构取决于一系列复杂的因素，例如晶体的对称性、晶体中的杂质和缺陷、晶体的电导率、晶体的弹性和自发极化的数值等，此外畴结构还要受到晶体制备过程中的热处理、机械加工以及样品的几何形状等因素的影响。
15. 如果晶体本身的正、负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性，那么，由于晶体构造的周
期性和重复性，晶胞的固有电距便会沿着同一方向排列整齐，即晶体处在高度的极化状态下，由于这种极化是外场为零时自发地建立起来，因此称为自发极化。 16. 描述电滞回线最重要的参数是自发极化强度和矫顽电场强度
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第四章 材料的光学性能
1. 发光辐射的波长由材料的杂质决定，也就是决定于材料的能带结构。（a）
试确定ZnS中使电子激发的光子波长（Eg=3.6eV）；（b）ZnS中杂质形成的陷阱能级为导带下的1.38eV，试计算发光波长及发光类型。
2. 假设X射线源用铝材屏蔽，如果要使95%的X射线能量不能穿透它，
试决定铝材的最小厚度。设线性吸收系数为0.42cm-1。
解： 由I?I0e??x?x?ln(I/I0)ln(0.05)? ???0.42 =7.13（cm）
3. 本征硅在室温下可作为红外光导探测器材料，试确定探测器的最大波
长。
4. 光信号在芯部折射率为1.50的光线中传播10km，其绝对延时是多少？
5.
0.85?m波长在光纤中传播，该光纤材料色散为0.1ns/km?nm那么，0.825?m和0.875?m光源的延时差是多少0.1ns/km？
6. 一阶跃光线芯部折射率为1.50，包覆层的折射率为1.40，试求光从空气
中进入芯部形成波导的入射角。
7. 试说明本章中出现光源的种类。
8. 试说明n=?r的物理意义。
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