电介质的极化

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。

§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。

电介质中的电极化现象电介质是电导率较低的物质，大多数是非金属的固体或液体。

电介质的一个重要特征是它们可以被电场极化，即在电介质中产生电荷分离，形成电偶极矩。

这种现象被称为电极化，它对于电介质的性质和应用有着重要影响。

一、电极化的机制电极化的机制有多种，其中最常见的是离子导电和电子极化。

离子导电是指当电介质中存在可离子化物质（如溶解的盐或酸）时，电场会引起离子的移动，从而导致电介质中的离子分布不均。

正离子向电场的负极移动，负离子向正极移动，产生电偶极矩。

这种电极化机制常见于液体中，比如盐水溶液。

电子极化是指电场导致电介质中原子或分子的电子云偏离其平衡位置，形成永久或瞬时的电偶极矩。

这种电极化机制广泛存在于固体和液体电介质中。

二、极化与介电常数介电常数是衡量电介质相对于真空的电容性能的物理常数。

它描述了电场在电介质中传播的速度，也反映了电介质的极化程度。

电极化会使电介质内部的电场减弱，增加电场强度下的电介质电容。

这是因为极化过程会生成相反方向的电荷分布，产生与外加电场相抵消的电场。

因此，电介质的介电常数大于1。

通过极化现象，电介质能够存储电荷和能量。

在某些应用中，为了提高电容器的电容性能，可以将电介质用作电容器的介质。

通过选择具有较高极化程度的电介质，可以获得更大的电容。

三、应用电介质的电极化现象在现代科技中有着广泛的应用。

下面几个领域是电极化现象常见的应用示例。

1. 电解质电池电解质电池是利用电介质中的离子导电机制来实现能量转化的装置。

典型的电解质电池包括铅酸电池和锂离子电池。

在这些电池中，电解质的极化现象是电池充放电过程的基础。

2. 电介质储能器电介质储能器是一种储存电能的设备，它利用电介质的极化来存储电荷。

储能器可以用于平衡或峰值削平电网上的能量需求，以及为移动设备和电动汽车等提供电源。

3. 电介质电压传感器电介质电压传感器是一种测量高电压或强电场的设备。

它利用电介质中的电极化现象来检测电势差并转换为信号输出。

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。