概要:
電気電子分野における材料は、電気伝導という観点から絶縁・誘電体、半導体、導電体に分類する。本講義で扱う絶縁材料と誘電材料は、本来同じものである。使用目的が電気絶縁ならば「絶縁材料」、センサなどの誘電体ならば「誘電材料」と区別する。本講義では、誘電体に電界を印加したときに生じる分極現象や内部電界の考え方について扱い、固体絶縁材料の試験方法、部分放電現象、絶縁破壊現象、絶縁劣化現象について定性的に説明する。
授業の進め方・方法:
座学を中心に進めるが、絶縁体の評価方法については、自ら本を読んで調べる、実際に実験装置を扱ってみる等の演習も用意し、より深い理解を促す。
注意点:
1.評価については、評価割合に従って行います。
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
| 前期 |
| 1stQ |
| 1週 |
ガイダンス
第1章 誘電体を理解するための基礎
1.1 物質の構造
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水素原子模型（原子の構造、エネルギー準位）、量子力学の概要（量子数、パウリの排他律）、化学結合（共有結合、イオン結合、金属結合）、結晶（単結晶、多結晶）、非晶質、格子構造と格子不整（原子空孔、格子間原子）、格子振動（光学モード、音響モード）について学ぶ。
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| 2週 |
第1章 誘電体を理解するための基礎
1.2 固体の電子論
1.3 統計力学と熱力学の基礎 |
物質波（規格化条件）、シュレーディンガー方程式、エネルギー帯（井戸型ポテンシャル）、絶縁体、半導体、導体のエネルギー帯構造、非晶質固体（ポリマー）のエネルギー帯、統計力学（エネルギー分布関数）、(1)マクスウェル・ボルツマン分布、(2)フェルミ・ディラック分布、(3)ボーズ・アインシュタイン分布について学ぶ。
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| 3週 |
第1章 誘電体の種類と基本的性質
2.1 誘電体の種類
2.2 合成有機高分子固体誘電体 |
誘電体の分類（気体・液体・固体）無機材料、有機材料、合成有機高分子固体誘電体（重合体、共重合体、縮重合体）、分子の形態（鎖状高分子、網目状高分子）、高分子固体の構造（無定形構造、多結晶構造）について学ぶ。
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| 4週 |
第3章 誘電分極、誘電率および誘電損
3.1 誘電分極とは
3.2 誘電体の巨視的性質 |
誘電分極、誘電体の巨視的性質（誘電率、分極）、誘電分極の種類（電子分極、原子分極、双極子分極、界面分極、空間電荷分極）
分極の速さ、複素誘電率と誘電損について学ぶ。
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| 5週 |
第3章 誘電分極、誘電率および誘電損
3.3 誘電率の分子理論(1) |
分極率と内部電界、ローレンツの内部電界、分極率、分子分極、クラウジウス・モソッティの式、電子分極率の計算、双極子分極率の計算について学ぶ。
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| 6週 |
第3章 誘電分極、誘電率および誘電損
3.3 誘電率の分子理論(2) |
気体の静誘電率、液体の誘電的性質と誘電率、固体の誘電的性質と誘電率について学ぶ。
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| 7週 |
第3章 誘電分極、誘電率および誘電損
3.4 均質誘電体の分散と吸収 |
誘電分散（共鳴形分散、緩和形分散）、電子分極、原子分極、双極子分極、デバイの式、緩和時間、アレニウスの式、コール・コールの円弧則、コール・ダビドソンの経験式について学ぶ。
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| 8週 |
第3章 誘電分極、誘電率および誘電損
3.5 絶縁材料の誘電特性（紹介のみ）
3.6 複素電気的モジュラスと複素導電率
3.7 複合誘電体
3.8 強誘電体（紹介のみ） |
複素電気的モジュラス、複素導電率、複合誘電体（不均質誘電体、二層誘電体、誘電率のみが異なる二層絶縁体、導電率のみが異なる場合）、電気絶縁に使われる複合誘電体（段絶縁と傾斜機能絶縁、電気機器における複合絶縁構成、高分子ナノコンポジット）について学ぶ。
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| 2ndQ |
| 9週 |
第4章 電気伝導
4.1 はじめに
4.2 固体誘電体の電気伝導現象 |
移動度、導電率、抵抗率、電気伝導の時間特性（瞬時充電電流、吸収電流）、温度特性（アレニウスの式、活性化エネルギー）、電界依存性（オーム則、絶縁破壊）について学ぶ。
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| 10週 |
第4章 電気伝導
4.3 固体誘電体の電気伝導機構(1) |
キャリヤと電気伝導機構、電子性伝導（エネルギー帯モデル、キャリヤ密度（プール・フレンケル効果）、キャリヤ移動度、ホッピングモデル、電子放出電流、リチャードソン・ダッシュマン定数、ショットキー放出、ファウラー・ノルドハイムの式）について学ぶ。
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| 11週 |
第4章 電気伝導
4.3 固体誘電体の電気伝導機構(2) |
イオン性伝導（格子欠陥、フレンケル欠陥、ショットキー欠陥）、イオン結晶、共有結合性物質、イオン移動度、電界変歪の影響（空間電荷層、空間電荷制限電流）について学ぶ。
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| 12週 |
第4章 電気伝導
4.5 電気伝導に関する測定法 |
電流の測定（表面電流測定系、体積電流測定系）、走行時間(time-of-flight)法による移動度の評価、熱刺激電流(TSC)法、空間電荷の測定（パルス静電応力(PEA)法）について学ぶ。
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| 13週 |
第5章 誘電体の絶縁破壊
5.1 総説
5.2 固体誘電体の絶縁破壊現象 |
厚さ効果、温度特性、印加電圧波形（直流、交流、インパルス）、時間効果、極性効果、放射線照射効果、分子構造と絶縁破壊の強さ、空間電荷の影響、絶縁破壊試験法について学ぶ。
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| 14週 |
第5章 誘電体の絶縁破壊
5.3 固体誘電体の絶縁破壊理論 |
絶縁破壊理論の歴史的変遷
電子的破壊（真性破壊、電子雪崩破壊、ツェナー破壊）、純熱的破壊（定常熱破壊、衝撃熱破壊）、電気機械的破壊（マクスウェル応力）について学ぶ。
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| 15週 |
第6章 各種条件下における誘電体の絶縁破壊
6.1 総説
6.2 放電により引き起こされる固体絶縁破壊
6.3 電気絶縁診断法 |
誘電体の絶縁破壊と電気絶縁診断法について学習する。
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| 16週 |
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