1.08 电介质极化的机理(1)

电介质的极化机制分析摘要：电介质是一种以特殊电极化方式储存、传递和记录电的影响与作用的一种形式，本文主要针对电介质的极化机制进行分析。

关键词：电介质；极化机制；分析电介质直观的说就是由大量的带电粒子组成的电荷体系。

电子极化就是原子核在电场的作用下跟负电子云进行相对的位移，导致二者之间的等效中心从重合状态转变到分开一定距离的状态给。

客观上说一切的物质都具有介电性质，本文主要对电介质的介电常量这一概念进行了叙述，同时对电介质的极化机制进行了深入地分析，比较并详细分析了电介质的介电常量的变化规律，也对电介质的静态介电常量和光频介电常量相等的微观机制进行了详细地描述。

1 电介质极化机制简介复合粒子是组成宏观物质的一些由基本粒子组合成的亚原子粒子，如原子、离子合分子都属于复合粒子。

每一个宏观的物体其内部就够都是由许多的离子组成的，这些离子受到热运动的影响，运动轨迹处于混乱状态。

因此粒子本身受到热运动的平均作用，不管自身有没有电距，都能使这个宏观物体的极化强度始终保持为零。

但是如果加以外电场的作用，粒子就会沿电场方向贡献一个电距，促使电介质在宏观程度出现极化。

粒子对极化的贡献可以从以下三个方面来分析：1）原子核外电子云的畸变极化的过程。

在很短的时间内电子云就可以完成极化过程，在内层电子的极化时间只需要10-19s，介电子只需要10-14—10-15s，它与红外线和紫外线的光区的行光震动周期相对应，电子极化率包含有10-40Fm2量级。

由此看来，原子核中心与电子云的中心相比较，他们之间的相对位移量是非常小的。

2)从分子的正、负离子的相对位移极化来分析。

晶格震动周期跟离子位移极化的建立所需时间相比，有着相同的数量级。

在这段时间内它们与红外光驱的震动周期相对应，如果频率恰好处在了红外范围之内，在交变电场的作用下，就可以产生剧烈的共振吸收和色散。

粒子位移极化率的数量级大体上与电子位移极化率相近。

一些诸如氯化氢等共价键结合物分子就能够在电场的作用下发生键长的变化，这一变化就能够使分子的固有偶极矩随之产生变化，但是总的来说一般非离子型介质分子中的原子还是不容易发生位移的。

电介质使电容增大的原因也可作类似的解释。

可以设想，把电介质插人电场中后，由于同号电荷相斥，异号电荷相吸的结果，介质表面上也会出现类似图10-14所示的正负电荷。

把这种现象叫做电介质的极化（polari-zation)，它表面上出现的这种电荷叫做极化电荷。

电介质上的极化电荷与导体上的感应电荷一样，起着减弱电场、增大电容的作用。

不同的是，导体上出现感应电荷，是其中自由电荷重新分布的结果；而电介质上出现极化电荷，是其中束缚电荷的微小移动造成的宏观效果。

由于束缚电荷的活动不能超出原子的范围，因此电介质上的极化电荷比导体上的感应电荷在数量上要少得多。

极化电荷在电介质内产生的电场E/不能把外场E。

全部抵消，只能使总场有所削弱。

综上所述，导体板引起电容增大的原因在于自由电荷的重新分布；电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。

因此，有必要进一步讨论电介质极化的物理机制。

2 极化的微观机制前己指出，任何物质的分子或原子（以下统称分子）都是由带负电的电子和带正电的原子核组成的，整个分子中电荷的代数和为0。

正、负电荷在分子中都不是集中于一点的。

但在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方，分子中全部负电荷对于这些地方的影响将和一个单独的负点电荷等效。

这个等效负点电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”，例如一个电子绕核作匀速圆周运动时，它的“重心”就在圆心；同样，每个分子的正电荷也有一个正电荷“重心”。

电介质可以分成两类，在一类电介质中，当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”是重合的，这类分子叫做无极分子；在另一类电介质中，即使当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”也不重合，这样，虽然分子中正、负电量的代数和仍然是0，但等量的正负电荷“重心”互相错开，形成一定的电偶极矩，叫做分子的固有电矩，这类分子称为有极分子。

下面我们分别就这两种情况来讨论。

(l)无极分子的位移极化H 2+ N 2+1 CC14等分子是无极分子，在没有外电场时整个分子没有电矩。

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。

电介质的极化
§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。