华南理工大学846电介质物理学考研真题整理版.doc

846 华南理工大学 2012 年攻读硕士学位研究生入学考试试卷(请在答题纸上做答,试卷上做答无效,试后本卷必须与答题纸一同交回) 科目名称:电介质物理学适用专业:材料学;微电子学与固体电子学本卷满分:150 分共 3 页第 1 页
一、填充题(50分)
1. 填写下列定义和概念(40分,每空2分)
(1)电导率不为零的介质电容器,在恒定电场作用下,电流由三部分组成:①电容电流(无功电流)②极化电流③传导电流;其中,极化电流是介质在交变电压作用下引起介质损耗的重要来源。
(2)当外电场频率足够高,偶极子转向将完全跟不上电场周期变化时,电介质的极化以①电子位移极化②离子位移极化为主;与热运动有关的极化形式③偶极子转向极化④热离子松弛极化;⑤空间电荷极化主要出现在不均匀电介质中。
(3)依照导电载流子种类的不同,电介质的电导可以分成以下几种形式:离子电导;电子电导;电泳电导。固体电介质中,在强电场下以电子电导为主,在弱电场下以离子电导为主,电泳电导出现在液体电介质中。
(4)铁电体的极化强度随外施电场E而变化的性质可用电滞回线来表示,它也是判断晶体是否具有铁电性的依据;当交变电场变化一周时,铁电体所消耗的能量可用电滞回线包围的面积来表示。铁电材料只有在某一温度范围内具有铁电性,高于居里温度时为顺电相,低于居里温度时为铁电相。判断材料有无铁电性的依据是能否观察到电滞回线。
2. 写出下列参数的定义式(10分,每空2分)
⑴电位移与电场强度之间的表达式为:
⑵假设单位体积电介质内导电载流子的数目为,每个载流子所带电荷为,载流子沿电场方向漂移的平均速度为,则单位时间内通过垂直于电场方向、面积为平面的电荷,即电流强度可表示为:。
⑶当介质中只有一种松弛极化时,加上电场,松弛极化强度与时间的关系可近似地表示为:
⑷在离子晶体中,考虑本征电导和弱系离子电导时,电导率γ随温度变化的关系式可以写成:。
⑸气体电介质自持放电的条件为:。
二、简答题(75分)
1. 有效电场、平均宏观场强指的是什么? 洛伦兹有效电场由哪几部分组成的? 对于非极性气体电介质,写出洛伦兹有效电场具体的数学表示式。(12分)
有效电场指作用在某一极化粒子上的局部电场,它应为极板上的自由电荷以及除这一被考察的极化粒子以外其他所有粒子形成的偶极矩在该点产生的电场。
平均宏观场强指极板上自由电荷以及电介质中所有极化粒子形成的偶极矩共同的作用场强。
对于非极性气体电介质,写出洛伦兹有效电场具体的数学表示式为
什么是电介质的极化? 试说明电介质极化的种类及其机理。(15分)
在外电场作用下,电介质的内部沿电场方向感应偶极矩,在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质的极化。电介质极化主要有5种:
①电子位移极化;其机理是在外加电场作用下,电子云相对于原子核逆电场方向移动,电子云重心与原子核重心分离形成感应偶极矩。
②离子位移极化;其机理是外加电场作用下,正、负离子沿相反方向移动,对形成的偶极矩不再互相抵消,极化强度不为零而呈现宏观电矩。
③偶极子转向极化;其机理是极性分子受到电场的作用时,每个偶极子都将受到电场力矩的作用,使它们转向与外电场平行的方向,当偶极矩与电场的方向相同时,偶极矩的位能最小,就电介质整体而言,电矩不再为零而出现与外电场同向的宏观电矩。
④热离子松弛极化;其机理是由于电介质中存在某些弱联系的带电质点;这些带点质点在电场作用下定向迁移,使局部离子过剩。结果在电解质内部建立起电荷的不均匀分布,形成电矩。当极化完成时间较长、外加电场的频率比较高时,极化方向往往滞后于外电场的变化,这种现象称为“松弛”,这种极化形式称为热离子松弛极化。
⑤空间电荷极化;机理是电介质中的自由电荷载流子(正、负离子或电子)可以在缺陷和不同介质的界面积聚,形成空间电荷的局部积累,使电介质中的电荷分布不均,形成宏观电矩。
什么是德拜函数,请作出德拜函数图。(12分)
德拜函数为、函数图参照P129的图2-15
请用气体介质的碰撞电离理论解释固体介质中的电击穿,并给出固体电介质发生电击穿的判断依据。(10分)
固体电介质的电击穿理论是建立在气体电介质的碰撞电离理论上的。所以,可以用气体中发生电子碰撞游离来推断固体电介质的击穿场强。
固体介质发生电击穿的判断依据是电子从电场获得的能量速率大于电子与晶格碰撞消耗的能量速率。
固体电介质的体积电导和表面电导有何区别?影响电介质表面电导的因素有哪些,请举例。(11分)
电介质的体积电导是电介质的一个物理特性参数,主要取决于电介质本身的组成、结构、杂质含量及电介质所处的工作条件(如温度、气压、辐射等)。这种体积电导电流流经整个电介质。电介质的表面电导不仅与电介质本身的性质有关,而且