电介质的极化
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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。
电介质极化
电介质极化是物理学中一个重要的概念,指的是在电场的作用下,电介质中的电荷分布发生变化,导致物质内部形成电偶极矩而出现极
化现象的过程。
这种现象在我们的日常生活中也随处可见,比如说电
容器、电子电路等设备,都需要利用电介质的极化性质才能正常运作。
下面让我们更加深入地了解电介质极化。
电介质极化的原理可以通过研究宏观电荷体系得到:当电介质体
系中有正负电荷分布时,会出现电场,从而导致介质中原子或分子的
电子云被拉伸,让正负电荷分别分布在了介质的两端,形成了电偶极子。
这个过程就是电介质极化的实现过程。
电介质极化可以分为两种类型:电子极化和离子极化,其中电子
极化是由于电介质中的原子或分子电子云位移而形成的;而离子极化
则是由于电介质分子中的离子受到电场的作用而发生电荷分离所致。
电介质的极化性质在电学理论研究中发挥了不可忽视的作用。
通
过这种极化现象,我们可以建立起数学模型,来解释电介质内部的电
场分布特性、介质在交、直流电场中的响应特性、以及介质中信号传
输的能力等现象。
电介质极化还具有广泛的应用价值。
比如说,在电容器中,由于
电介质的极化作用,正负极板之间的电场会得到加强,从而实现对电
荷的储存;在通信技术领域中,也会使用电介质极化来实现信号检测
和处理等操作。
总之,电介质极化是电学领域中一个非常重要的概念。
了解电介质极化的原理和应用,对于我们更加深入地了解电学理论、掌握电学技术,具有十分重要的指导意义。
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(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。