电介质及其极化(完整)概要
1.03 电介质极化及介电系数
结论：束缚电荷面密度大小等于极化强度在ΔS面法线方向
上的分量,二者单位都是C/m2
例：求均匀极化的电介质球表面上极化电荷的分布，
已知电极化强度为P。
解： Pcos
00 P
900 0 1800 P
总结
基本性质：
电感应强度D 与自由电荷分布有关且为矢量，其方向起始 于正自由电荷，终于负自由电荷；D 在数值上等于该点自由 电荷面密度;各极板上自由电荷为q，极板附近D=q/s
电介质物理基础
第一章 电介质的极化
第二节 电介质的极化和介电系数
曾敏
问题的提出？
为什么要研究介质的极化？？
平板电容器中是真空时…
Q0
C
电量Q0，电压V，面密度δ 0， 板面积A，间距d。
V
图1平板电容器中的电荷与 电场分布(a)真空
……
平板电容器中以介质代替真空时
εr
问题的提出？
介质产生哪些 变化？？
εr是相对介电常数，与真空的比值； 介质绝对介电常数ε=ε0εr
εr是无量纲，且εr≥1
2.极化强度P(Polarization Rector)
1) P的定义：单位体积电介质的电偶极矩矢量总和.
P i
V
或
lim P
i
V 0 V
性质： 宏观物理量，很多粒子μi的平均值;
P与E方向有关；
单位为Cm/m3=C/m2;
极化强度P 只与极化电荷有关，P 是矢量，起始于于负极
化电荷，终于正极化电荷
电场强度E 与实际存在的所有电荷（包括自由电荷和极化 电荷）有关，E 是描述电场的基本矢量，D 和P 均可用E 来表
示
克劳休斯方程
大学物理静电学五
D 0 r E
D
0 r 1
0 r 1
0 r 2
0 r 2
E1 0 r 1 0 r 1
D
E2 0 r 2 0 r 2
D
在介质中电场仍然是匀强场 方向都指向右侧
r1 r 2
●
S
D
d1 d 2
0
0 E0 0 E 0
E E0 E 0 0 0
0 E E0 E 0 o
Pn
联立
0 r 1E
0 0
E0
r
0 E0 E 0 r r
其它介质
称作相对介电常数，可由实验测定 真空
r 1
r 1
例 平行板电容器
自由电荷面密度为
0
充满相对介电常数为 r 的均匀各向 同性线性电介质 求:板内的场强 解:介质均匀极化，表面出现束缚电荷
0 0
E0
rHale Waihona Puke E内部的场由自由电荷和束缚电荷共同产生
r1 r 2 r
S
D
d1 d 2
S 0 r C d1 d 2
记作
P
V
定义：
单位体积内，分子电偶极矩的矢量和
pi qli
P
i
pi
V
2. 极化强度 与极化电荷的关系 均匀电介质极化时，其表面有极化电荷出现， 极化程度愈高，极化电荷愈多， 所以极化电荷面密度反映电介质极化程度。 只讨论处在真空中的均匀电介质被极化的情况。
dq 极化面电荷密度： dS
《高电压技术》 —— 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。
电介质的极化知识点
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。
电介质与电极化
电介质与电极化
电介质是指不导电的物质，它具有高电阻和低电导的特性。
与导体
不同，电介质在外加电场下不会产生自由电子的移动，而是通过分子
或离子的极化来响应电场。
电极化是电介质在外加电场下发生的现象，它使电介质内部产生一
个电偶极矩或极化矩阵。
当电介质被放置在外加电场中时，电场会影
响电介质中的电荷分布。
如果电介质是非极性的，电场会使电子和离
子稍微分离，形成一个电偶极矩。
如果电介质是极性的，电场会在分
子或离子中引起电子的位移，导致电介质的极化。
电介质的电极化导致了一些重要的现象，如介电强度的增加和电容
性质的改变。
在电场作用下，电介质的极化会使电介质中的正负电荷
分开，形成形如电容器的极板，并产生一个电势差。
这种电势差可以
对电场产生屏蔽作用，降低电场强度，从而增加了电介质的介电强度。
另外，电极化还会导致电介质的电容性质发生变化，使电介质具有储
存电荷和释放电荷的能力，从而具有电容器的特性。
电介质的极化和介质中的高斯定理
串联 1 1 1 C C1 C2
C C1C2 C1 C2
0S d1 d2 r1 r2
②.已知 U，求0、E、D。
0
q S
CU S
0SU
S d1 d 2
0U
r1 r2
d1 d2
r1 r2
d1 d2
r1 r2 d
22
E1
Байду номын сангаас
0 0r1
d1
r1
0U
d2
r2
0r1
1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观 效果都是产生了极化电荷。
综 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生 述：的分子电矩的矢量和也越大。
3）极化电荷被束缚在介质表面，不能离开电介质 到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。它 不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
7
二、极化强度矢量
r
r 称为相对
介电常数或
电容率。
从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、
有极分子。
每个分子负电荷对外影响均可等效为 单独一个静止的负电荷 的作用。其大小为 分子中所有负电之和，这个等效负电荷的 作用位置称为分子的“负电作用中心”。
-
3
同样，所有正电荷的作用也可等效一
个静止的正电荷的作用，这个等效正电 荷作用的位置称为“正电作用中心”。
电场 E有如下关系：Pe0E
e 称为电极化率或极化率， 在各向同性线性电介质
中它是一个纯数。
14
D 在均匀0各E 向同P 性介0质E 中P e0E e 0(1 Ee)0E
r0E
r (1e) 称为相对介电常数或电
容率。
在各向同E性介质中D.rE0关称系为：介D 电常数r，0E E
电介质物理电介质极化
极化电荷面密度，极化强度 ，有效电场，退极化电场， 极板电容
返回
（1）极间电压与电场关系
（2）宏观场强与自由电荷场强、退极化电场关系
（3）表面束缚电荷与极化强度之间的关系
E E0 Ed
P cos
（4）表面束缚电荷密度与宏观场强的关系
（5）极化强度与宏观场强的关系
真空中介电常数
返回
6．什么叫电势？如何分析计算典型电场中的电势？（掌握）
电势概念：将单位电荷移动到无穷远处电场力所 作的功
相关概念
等电势面 电势梯度：
在等电势面外法线方向上单位长度的变化所产生电势变化量
电场强度的散度
即微元封闭曲面所包围的单位体积的通过该曲面的电场强度通 量
返回
电势概念的应用：（熟练掌握各种情形下电场中各点电势 的分析计算方法）
返回
（4）试证明电场强度大小与电势梯度大小相等方向相反 （了解，记住结论）
（5）试证明电场强度散度定理： （了解，记住结论）
（6）试建立用于求解普遍情形下电场中各点电势的泊松 方程及拉普拉斯方程。 （了解，记住结论）
泊松方程
拉普拉斯方程
返回
1.2 电介质的极化
1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电 场？（掌握）
Line of electric forece：
用来直观地图示电场分布的虚设的有向曲线族，曲线 上每一点的切线方向与该点电场方向一致。
返回
Static electric field：
静止电荷产生的电场叫做静电场，又叫做库仑场。
Electric Field基本性质：
1）处在电场中的任何带电体都受到电场力的作用； 2）带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功； 3) 电场中任意一点的总场强等于各个电荷在该点各自
电介质极化
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。
《电磁场理论》2.4 电介质的极化
± ± ±
(a )
1
2.电介质的极化
定义：这种在外电场作用下，电介质中出现有序排列的 电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象，称为电介质的 极化。
(1)无极分子的极化：位移极化
外加电场 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± (a ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ (b ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 外加电场
QP P dV
V
S
dS P
S
( P)dV P ndS
V
01:55
P ndS P ndS 0
S S
7
3)当极化强度 P 为常数时，称为均匀极化。均匀极化时介 质内部不出现体极化电荷，极化电荷只会出现在介质表面 上。均匀介质一般有 P 为常数，而真空中有 P 0 。 4)若极化媒质内存在自由电荷，则在自由电荷处一般存在 极化电荷。 5)两种介质分界面上的极化电荷
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
6
(r )
1 4 0
P
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
计算介质极化后所产生的电位： 1)将电介质从所研究的区域取走， 2)计算 P和 P ， 3)按计算自由电荷的电场的方法来计算极化电荷的电场。 说明： 1)极化电荷不能自由运动，也称为束缚电荷； 2)由电荷守恒定律，电介质内的总极化电荷为零；
Pn S R dS ]
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。