电介质的极化

电介质均匀极化电介质是一种能够在电场作用下发生极化的物质。

当一个电介质置于外电场中时，其分子或原子会发生重新排列，使得电介质内部产生一个与外电场相反的极化电场。

这种现象就是电介质的均匀极化。

电介质的极化是由于电场对电介质内部正负电荷的分离作用。

在外电场作用下，正电荷向电场方向运动，负电荷则向相反方向运动，产生了一个极化电场。

这个极化电场与外电场的叠加，形成了电介质内部的总电场。

电介质的极化可以通过两种方式实现：取向极化和变形极化。

取向极化是指电介质分子或原子在外电场作用下，由于受到电场力的作用，发生取向排列，使得正负电荷分离。

这种极化主要发生在极性分子中，如水、酒精等。

变形极化是指电介质由于外电场作用下，发生形状变化，从而使得正负电荷分离。

这种极化主要发生在非极性分子中，如氧气、氮气等。

电介质的极化程度可以用极化强度来衡量。

极化强度是指单位体积内极化电荷的总和，它与电场强度之间存在一定的关系。

极化强度的大小决定了电介质的极化程度，即电介质内部产生的极化电场的大小。

电介质的极化对电场的传播和电磁波的传输有重要影响。

在电介质中，极化电场会削弱外电场的作用，使得电场在电介质中的传播速度变慢。

同时，电介质的极化还会改变电磁波的传输特性，如折射、反射、吸收等。

电介质的均匀极化还可以用来制造电容器。

电容器是一种能够存储电荷的装置，它由两个导体板和介质组成。

当电介质置于两个导体板之间时，介质发生均匀极化，形成了一个极化电场。

这个极化电场与导体板上的电荷相互作用，使得电荷能够在电介质和导体板之间来回移动，从而实现了电荷的存储。

电介质的均匀极化还具有其他一些应用。

例如，在电子设备中，电介质的极化可以用来制造电子器件，如电容器、电感器等。

在光学领域，电介质的极化可以用来制造偏振器、光学器件等。

在材料科学中，电介质的极化可以用来改变材料的性质，如增加材料的介电常数、改变材料的导电性等。

电介质的均匀极化是电介质在外电场作用下产生的一种重要现象。

在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象称为电介质的极化。

或者表示为，无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，电介质整体上对外没有极性，在外电场作用下，电介质对外呈现极性的过程。

电介质极化的基本类型包括：电子位移极化（电子式）、离子位移极化（离子式）、转向极化（偶极子式）、空间电荷极化（夹层式）四种类型。

1.电子位移极化（电子式）在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道变形而出现感应电矩。

2.离子位移极化（离子式）在由离子键结合成的介质内，在外电场的作用下，除了各离子内部产生电子式极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化称为离子式极化。

当没有外电场时，各正负离子对构成的偶极距彼此相消，合成电距为零；加上外电场后，所有的正负离子对构成的偶极距不再完全相消，形成一定的合成电距。

完成离子式极化所需时间约为10-13～10-12 s，有极微量的能量损耗，与电源频率几乎无关，温度升高时，电介质体积膨胀使离子间的距离增大，离子间相互作用的弹性力减弱，故离子极化率随温度的升高而略有增大。

3.转向极化（偶极子式）在外电场的作用下，极性分子的偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，而显出极性。

偶极子式极化的建立需要较长时间，约为10-10～10-2 s，甚至更长。

有能量损耗，与电源频率和周围温度有关。

当电场交变频率提高时，极化可能跟不上电场的变化，从而使极化率减小。

4.空间电荷极化（夹层式）夹层式极化是最常见的一种空间电荷极化形式。

由多种介质组成的绝缘结构，在加上外电场后带电质点在介质分界面上堆积，造成电荷在介质空间新的分布，产生电矩。

如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。

夹层式极化过程是缓慢的，它的完成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时甚至更长。

因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。

高频时，离子来不及移动，就很少有这种极化现象，故只有在低频时才有意义。

电介质的极化知识点电介质是一种具有不良导电性质的物质，能够在电场中极化，并且在极化过程中，电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。

电介质的极化现象在电子学、物理学、化学等领域中具有重要的应用和理论意义。

本文将针对电介质的极化进行详细阐述，包括极化的概念、分类、极化机制等重要知识点。

一、极化的概念极化是指电介质在外加电场的作用下，内部发生的一种现象，即电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。

当电介质处于无电场状态时，其内部的正负电荷呈均匀分布；而当外加电场存在时，正负电荷会发生位移，并在电介质两端形成极化电荷。

二、电介质的极化分类根据电介质极化的性质和机制，可以将电介质的极化分为以下几种类型：1. 电子极化电子极化是指电子在电场作用下发生位移，从而使得电介质发生偶极矩的现象。

在电子极化过程中，电子云相对于离子核的位移引起了正、负电荷的分离。

2. 离子极化离子极化是指电介质中的正、负离子在电场中发生位移，从而产生极化现象。

离子极化通常发生在电解质溶液中，当外加电场作用于电解质溶液时，正、负离子会向相反的方向运动，形成极化电荷。

3. 偶极子极化偶极子极化是指由于电介质内部存在着极性分子，这些极性分子在外加电场作用下，会使得电介质发生极化现象。

在偶极子极化过程中，极性分子的正负电荷偏移，从而形成极化电荷。

4. 空间电荷极化空间电荷极化是指电介质内部的自由电荷在电场作用下发生位移，从而形成极化电荷。

空间电荷极化通常发生在导体中，由于导体内部的自由电子可以自由运动，受到外加电场的作用，自由电荷会在导体表面积聚形成极化电荷。

三、电介质的极化机制电介质的极化机制决定了它在电场中的极化特性。

根据电介质的性质和结构，极化机制可以分为以下几种：1. 电子极化机制电子极化主要发生在电子绝缘体中，在外加电场的作用下，电子云发生位移，并与离子核产生相对位移，从而使电介质发生极化。

2. 离子极化机制离子极化机制主要发生在电解质溶液中。

电介质的极化与极化率的计算电介质是一类具有良好绝缘性能的材料，当电介质置于电场中时，它会产生极化现象。

电介质的极化与极化率是电学领域中一个重要的概念，通过极化率的计算可以了解电介质在电场中的响应情况。

1. 极化现象简介极化现象是电介质在外加电场作用下，各个原子、离子或分子发生重新排列，形成正负电荷分离的过程。

这种分离引起了电介质内部电位能的变化，使电介质内部发生极化现象。

2. 极化方式电介质的极化方式可以分为电子极化、离子极化和定向极化。

电子极化是由于电场的作用，电子云向电场方向移动而产生的极化。

离子极化是由于电场作用使正负离子分离而产生的极化。

定向极化则是在有外加电场的情况下，有序分子在电场中重新排列而产生的极化。

3. 极化率的定义极化率是用来描述电介质极化程度的物理量。

它是一个比例系数，用来衡量单位体积内电介质极化时所产生的电偶极矩与外加电场之间的关系。

极化率的单位是库仑/米（C/m²）。

4. 极化率的计算极化率可以通过以下公式来计算：P = ε₀χE其中，P是电介质的极化电偶极矩，ε₀是真空介电常数，χ是电介质的电极化率，E是外加电场的强度。

5. 极化率计算的影响因素电介质的极化率与其化学组成、晶体结构、温度等因素有关。

不同的材料具有不同的极化率，常见的电介质如氧化铝、石英等都有一定的极化率。

6. 极化率的应用极化率在电介质的性能研究、电容器和介质材料的选择等方面有着广泛的应用。

通过测量电介质的极化率，可以评估电介质的绝缘性能，为电子元件和电路的设计提供依据。

7. 极化率与介电常数的关系介电常数是描述电介质在电场中的性质的物理量。

它与极化率之间存在如下关系：ε = ε₀(1 + χ)其中，ε是介电常数，ε₀是真空介电常数，χ是极化率。

介电常数是电介质对电场的响应能力的度量，也可以通过极化率来计算。

总结起来，电介质的极化与极化率的计算是电学领域中重要的内容。

极化率提供了衡量电介质极化程度的指标，并广泛应用于电介质的性能研究与电路设计中。

直流电介质极化
电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。

理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。

一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。

在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。

这些极化电荷改变原来的电场。

充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。

§3.3 电介质的极化：
一、极化：在外电场的作用下，电介质所发生的变化称之。

二、位移极化：无极化分子的极化。

在外电场的力矩作用下，正负电荷的“重心”发生反向位移而分开的变化。

图
由0P = 变为0P ≠ 。

三、取向极化：有极分子的极化。

在外电场的力矩作用下，分子偶极矩发生转向（趋于和外电场方向一致）的变化。

由0i P =∑
变为0i P ≠∑。

实际上，从机理上分析，有极分子的极化，不是单纯的取向极化，由于电场力的作用，同时还有位移极化，只不过是谁大谁小的问题。

四、极化强度矢量P
1、P ：定量描述电介质极化程度的宏观物理量。

2、极化的实质：
不论是哪种介质，极化前0i P =∑
，而极化后，则0i P ≠∑ 。

即极化是分子极矩和由
零到非零的变化。

3、P 的定义：1m i
i P P τ==∆∑
τ∆为物理无限小体积。

因而： P
是宏观矢量点函数。

4、P 与E 的关系：
实验表明：在各向同性电介质中
0P E εχ=
χ：称为极化率，取决于电介质的性质。

当χ处处相同时，亦称为均匀介质。

各向同性：指P 与E 的关系式与方向无关。

各向异性中，用极化率张量描述。

电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。

1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。

2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。

离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。

离子极化能对金属化合物性质产生影响。

3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。

4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。

电介质的极化极性分子和非极性分子由两个或多个极性共价键组成的分子，如其结构对称者为非极性分子，结构不对称者为极性分子。

常见极性绝缘电介质：环氧树脂、蓖麻油； 非极性电介质：聚四氟乙烯、氮气等H 2O . . . O H H + SF6+ + + + +++ + ++ + + + + + + + + + + 电介质的极化无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电；加上外电场后，电矩受力矩作用而发生转向，在介质左右两端面上出现极化电荷。

E 外 + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 以极性分子为例：+ + + ++ Q 0 U + + + + + 自由电荷极化电荷 + + + + + 极板间插入固体介质后，在电场作用下电介质中带电物质产生应变，电介质表面产生束缚电荷，把这种现象称为电介质极化。

Q’ +电介质的极化种类（1）、电子位移极化（2）、离子位移极化（3）、偶极子转向极化（4）、热离子极化（5）、夹层介质界面极化（6）、空间电荷极化（1）、电子位移极化当物质原子里的电子轨道受到外电场E的作用时，它将相对于原子核发生位移而形成极化。

e+电子位移极化的特点1）、电子式极化存在于一切气体、液体及固体介质中。

2）、形成极化所需的时间极短（因电子质量极小），不随频率变化；约10-15，故其r3）、它具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又会马上重合而整个呈现非极性，所以这种极化没有损耗。

（2）、离子位移极化离子位移极化：无外电场时，大量离子对的偶极矩互相抵消，故平均偶极矩为零，在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极矩不再为零，介质呈现极性。

离子位移极化的特点1）、离子位移极化存在于离子晶体中；2）、形成极化所需的时间很短，约10-12s，故其 r不随频率变化；3）、属于弹性极化，几乎没有极化损耗。

（3）、偶极子转向极化偶极子转向极化：当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不停的热运动之中，分布非常混乱，对外的作用互相抵消，因此整个介质对外并不呈现极性；而在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场定向排列，因而显示出极性。

电介质（dielectric）也就是绝缘体，它们本身是不导电的，即它们不含有自由电子。

因此，与导体相比，电介质对外场的响应是不同的。

对于导体而言，其对外电场的响应就是自由电子定向移动，产生感应电荷，最终达到静电平衡。

而对于电介质而言，其对外电场的响应是束缚电荷的受限移动（移动范围不能超出原子），从而产生宏观的极化电荷。

这种对外电场的响应称为电介质的极化。

极化的微观过程是束缚电荷在外电场中的运动。

任何物质的分子都是由电子和原子核构成的，整个分子是电中性的。

正（原子核）、负电荷（各个电子）在空间中都具有一定的分布。

利用等效理论（原理），对正、负电荷分开处理，可以得到这个分子的等效正电荷的大小、位置以及等效负电荷的大小、位置。

这样，就可以得到分子的等效固有电偶极矩。

根据对称性，可以将分子分为无极分子和有极分子。

顾名思义，无极分子就是分子等效电极距为0的分子，即分子的正、负等效电荷的位置重合，这要求分子的结构具有某些对称性，如氢分子，四氯化碳分子等。

有极分子就是分子等效电极距不为0的分子，这种情况更为多见。

自然地，这两种分子的极化机制不同。

对于无极分子而言，一旦加上了外电场，原本重合的正、负等效电荷点会分开，产生感生电极距，也称为位移极化。

而对于有极分子而言，不仅仅有位移极化，本身的固有电极距会在外场作用下从原本的杂乱无章到逐渐有序，这种极化称为取向极化。

那么如何定量描述极化的强度呢？极化强度是宏观量，而极化微观机制是微观图像。

将宏观量和微观图像联系起来的有效工具便是微元法，即取一小块体积元，将体积元内所有电极距叠加起来，除以体积元的大小，定义为极化强度矢量。

那么极化电荷的分布情况如何呢？对于均匀的电介质而言，可以想象，电介质体内是不会出现宏观的极化电荷的，因为它们都抵消掉了（想象一下极化的微观过程可知）。

但在表面情况就不同了。

这个表面并不是电介质的理想表面，而是指距离理想表面的距离小于L的地方。

其中L为分子感生电极距中等效正电荷点与等效负电荷点的距离。

电介质极化外电场作用下，电介质显示电性的现象。

在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。

理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。

一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。

在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。

这些极化电荷改变原来的电场。

充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。

电介质的极化机制[1]①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩p e ＝el(l由负电中心指向正电中心,e是电荷量,见电偶极子)。

当电场不太强时,电偶极矩p e同有效电场成正比,p e=αe E,式中αe称为电子极化率。

②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩p a。

p a与有效电场成正比,p a=αa E，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。

③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。

在无外电场时，由于热运动,这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。

在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用,趋于同外场平行,即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。

在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。

固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述,当电场强度不太大而温度不太低时,，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。

这种极化同温度的关系密切。

④界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。

电介质极化与电场能量一、电介质的极化现象在电学中，电介质是指一类可以被加电场极化的物质。

在外加电场的作用下，电介质内部的正负电荷会发生重新排列，从而形成电偶极矩。

这一现象被称为电介质的极化。

电介质的极化可以通过电偶极矩在电场中的取向方式来描述。

当电介质中的电偶极矩取向与电场方向一致时，称为顺向极化；当电偶极矩取向与电场方向相反时，称为逆向极化。

在极化过程中，电介质的极化强度可以用极化矢量来表示，它的大小与电介质内的电偶极矩有关。

二、电介质的极化现象对电场能量有重要的影响。

首先，电介质极化可以改变电场的分布。

在外加电场的作用下，电介质内部的极化会引起电场的重新分布，使绝缘体内部的电场强度发生改变。

这种电场分布的改变，会导致电场能量的重新分配。

在电介质中，电场能量主要分布在两部分：一部分是介质的极化能量，另一部分是电介质内的电能。

电介质极化所导致的电场能量的变化可以通过电介质中的极化电能来描述。

极化电能是指电场通过电介质中的电偶极矩进行功的能量。

在外加电场下，电场对电介质中的极化电偶极矩进行功，将电荷从一个位置移动到另一个位置，从而改变了电介质内部的电势能。

这个变化的过程中所消耗的能量即为极化电能，它可以用来描述电介质极化所引起的电场能量的变化。

电介质极化还会引起电场能量的损耗。

在电介质的极化过程中，电偶极矩的重新排列涉及到电介质内部的电荷运动，从而产生额外的电流和耗散功。

这部分功即为电介质极化所引起的电场能量损耗，它将引起电场能量的流失。

三、电介质极化的应用电介质极化的特性决定了它在电学中的广泛应用。

其中最为重要的是电容器。

电容器是一种用于储存电场能量的器件，它由两个导体板和介质组成。

根据电介质的特性，电容器的极化现象被广泛应用于电力系统、电子电路和通信设备等领域。

通过优化电介质的极化特性，可以提高电容器的性能，使其在电场能量储存和传输方面更加有效。

此外，电介质极化还被应用于传感器、激光器、振荡器等各种电子器件中。