第125页 3.7 驻极体
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125 electrization, 持久电化的相应物体,找寻能够持久地在其周围建立电场和通过电的吸引或排斥而相互作用的物体。1925年,石腊和松香的混合物在强外电场作用下,从融熔态固化后再除去外电场,得到的混合物固体能够保持长时间在其周围建立电场的能力,这种混合物固体称为驻极体electret. 驻极体是对比永久磁铁的效能来找寻,研制和命名的。这种早期引入的术语和概念没有附加任何涉及微观机构的修饰,沿用下来直至今日引起了许多混淆和争议。采用较多物理学家的倾向和较易物理学家所接受的办法,称获得驻极体效应的人工处理操作为驻极,而不称为之极化。用极化强度而不另外定义其他名词来描述驻极体效应的强度。驻极体效应是在外电场或其他因素如电子束,光等,的作用下,电介质 中产生的空间电荷或取向的分子的键矩能够人为地或自身地被冻结下来所产生的一种静电效应。所谓被冻结下来是指,从结构方面说是处于能长期保存的亚稳态而不是处于热力学平衡状态,由于驻极体过程中采取了冷却或其他方法,处理亚稳定位置的空间电荷和处于亚稳定取向的键矩难以从热运动起伏中获得足够能量来通过越障运动回到平衡状态,其次,从效应方面来说,被冻结下来这一限制把驻极体和一般带静电电介质分开来了。驻极体是整体或宏观局部带静电的电介质。无论是导体,半导体或是绝缘体,都可以处于静电状态而能够在其周围空间建立电场。但是一般的整体或宏观局部带电物体,在使其带静电的外加作用除去后,只要经历了或3-1给出的麦克斯韦时间,其静电状态就要消失。所谓冻结下来是指驻极体经历比麦克斯韦时间或观察时间长得多的时间后,仍能部分或全部保持其效应。 从历史发展的过程来看,表征驻极体效应的是它具有在其周围空间和内部建立电场的能力,而不是把驻极体描述为本身处于持久的极化状态。这样就可以在一定程序上把驻极体和铁电体区别开来。铁电体内部可以持久地处于自发极化状态。但是从宏观整体来说,它没有在周围空间建立电场的持久能力。驻极体必须用高绝缘电介质经驻极处理才能制成。在高温加电场冷却得到热驻极体外,绝缘固体在室温下加强电场也能产生驻极作用。绝缘固体在气体放电中通过电晕将高速运动的带电粒子注入其体内或表面层,也能制成驻极体。光照、辐射等手段都可形成驻极体。虽然晶态固体也可以出现显著的驻极体效应,但目前技术应用上的驻极体一般都是用高分子聚合物固体来制成的。 极性聚合物最适宜于用来制造驻极体。聚乙烯分子是非线性的,但当它的侧键上的氢被氟所置换时,这个键便出现电偶极矩,因此PVF成为极性聚合物,它是目前最主要的同时还具有压电,热电性的驻极体材料之一。C-F 键上的电矩方向为自F指向C,由于坚固的共价结构,每个C-F键上的电偶极矩数值接近于固定。按照3.2.3节中指出的聚合物中的各种分子范围的运动,并不会改变高分子的电子结构,因此,像PVF2之类的极性半结晶聚合物中分子链不仅具有较大的侧基C-F键矩,而且在强外电场约1mv/cm或机械拉伸的作用下,分子链变成平面锯齿形构象,从而有大的偶极矩,2.1D,这时晶胞中的两个链的偶极矩就从反平变成平行,即实现了从alpha至beta 晶相的转变,类似于从顺电相至铁电相的转变。热运动使每一个电矩的取向都在空间作越障旋转。各种像图3.8类型的旋转位能关系提供了大量的亚稳态取向。这些亚稳态除了决定于同一个主链上相邻侧基之间的相互作用外,凝聚高分子聚合物中,邻近不同分子的局部链段之间的相互作用也会产生更大量更复杂的亚稳态。从宏观平均角度来看,聚合物中的这种热运动可处理为在空间混乱地作越障旋转运动。当温度较高时,越障旋转变得更为自由,但在冷却后有些电矩便被冻结在亚稳态的取向上,而且不能越过位垒回到热平衡取向。在强电场作用下,电介质被束缚的或注入的空间电荷在进行有倾向的转移之后被冻结下来,也能具有持久的极化强度,从而成为驻极体。 3.7.2 同极电荷和异极电荷:固体中的空间电荷具有两种形式。由传导电子和传导空穴积聚形成的空间电荷比较自由,它们在固体中的转移动不需要跨越位垒,我们称为自由空间电荷。由杂质、缺陷形成空间电荷在固体中只能作步跃式的越障运动,事实上,当温度足够低或位垒足够高时,它们将冻结在固体的某些局部位置上,因此称为束缚空间电荷。对驻极体效应有贡献的是束缚空间电荷。在具有极性键的聚合物驻极体中,束缚空间电荷和极性键的电矩对持久极化强度都有贡献。在像聚乙烯之类的非极性聚合物和玻璃态石英之类的非晶无机固体以及在晶体中,驻极体效应的本原是空间电荷的产生,转移和冻结。但有时为了利用方便的数学方法进行处理而等效地看成是局部电矩取向的贡献。由空间电荷效应形成的驻极体,为空间电荷驻极体。如若按其来源和存在形式来区分时,则驻极体中具有两种空间电荷,一种为同极电荷homocharge,3。31,一种为异极电荷,heterocharge, 3.32. 同极电荷是人工驻极体时由于外加电场的作用,由电极注入于电介质表面层的空间电荷被束缚下来而形成的,其极性一与相邻电极的相同。同极电荷的注入可能通过电介质表面与电极之间的电导,电极的场发致发射,电介质表面的局部击穿等途径来实现。在完成驻极工艺,并除去外电场 之后,同极电荷贡献的持久极化强度方向与外加电场相反。同极电荷只分布于驻极体的近表面。异极电荷是原来分布于介质体内的束缚电荷,或是因外加作用在介质体内新电离出来的电荷,在强驻极电场的作用下,通过越障运动转移到位能较低的位置并被冻结下来而形成的。其极性与相邻电极相反。图3.3.2给出了晶格中可能发生的越障运动。正离子和负离子都可以出现类似越障运动,但负离子倾向于朝外电场的反方向转移,晶格结点上的取代离子或填隙离子一样可能在驻极过程中转移。在非晶体固体中,空间电荷的这种转移是类似的,但更为复杂些。3.3.2可以看出,这种空间电荷的转移可等效为局部电矩的转向,驻极过程中形成的新的电荷分布所产生的极化强度与外电场相同,而与同极电荷的贡献相反。异极性电荷具有体积分布的性质。在强交变电场作用下,驻极体可以出现介电回线,在CaF2, BeO晶体中也可观察到这种回线,但这两种晶体不具有铁电性。粘滞回线而非铁电回线。 136 晶态介质的本征击穿 晶体的条件稍有不同于气态和液态。第一,晶体可以处于任何低温下仍保持为晶体,第二,晶体中的游离电子表现为导带中的传导电子。根据布洛赫定理,传导电子和具有理想周期结构的晶格之间是没有相互作用的。换言之,处于绝对零度温度上的一个完整晶体,虽然此时不存在热激发,但可通过其他就去如光激发,使导带上出现一些传导电子。这些传导电子可以在晶体中自由运动而不会引起晶格的畸变。因此,其平均自由程将为无限大,比较前面关于气体和液体击穿的讨论,可以推断在绝对零度温度上,一个理想晶体的击穿电场强度将小到可以认为零,然而,真实晶体中总存在有杂质和缺陷,它们造成晶体周期结构的破坏,使传导电子的运动受到散身。因此在任何低温下晶体的击穿场强不会小到零值。因为杂质和缺陷的数目在温度不太高时保持不变,故其对提高击穿场强的贡献也是固定的。当晶体的温度高于绝对零度时,晶格的微小振动形成格波,其能量量子为声子。因为声学声子的能量比常温下分子热运动的能量低很多,于是平均声了数随温度上升而近似正比增加,故声子散射使传导电子的平均自由程减小。
予秋对本书的所有笔记 · · · · · ·
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第84页 第三章 电介质中的电荷转移
84宏观物质在外电场作用下有两种响应,一种是电传导,另一种是电感应。电介质物理学是从电屏...
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142 宏观的唯象理论虽然不能解释物理效应的根源,但却能建立起各种宏观物理量之间的关系,这...
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第220页 第五章 晶格振动和声子统计
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