电介质物理学
电介质物理.
65oC 276oC
50Hz 3×106 Hz
6×10-4 3×10-4
1×1010 3.5×106
1.4×1011 4×106
结论：
① 与 基本相当；
②高频（2×106 Hz）下，介质损耗也是电导损耗。
电介质的损耗
无机玻璃——以共价键结合为主， s
，g
0, tan
0 r
如食盐Nacl晶体，石英，云母等。
只有e和a，r n2 , g 0
损耗主要来自电导
tan 1.81010 1 ( 1 )
0 r
f r
电介质的损耗
Nacl晶体的tan，与计算值
温度
f
tan ( m) ( m)
低频 高频
电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其 它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的 电能叫介质损耗。
电介质的损耗
电介质的损耗
在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量
电导损耗
产生原因
松弛极化 典型的为偶极子转向极化
电介质的损耗
在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流 I R
偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）
Response is still slower
空间电荷极化(Space Charge Polarizability)
Response is quite slow, τ is large
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
①瓷——较常用 绝缘子 ②玻璃
③有机——复合的 陶瓷：不均匀结构，含三相①结晶相，②玻璃相，③气隙
高中物理竞赛讲义-电介质
电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
大学物理(6.2.1)--静电场中的电介质
d r
P
E
0 - -+- -+- -+- -+- -+-
E E0 0 r 0 r
'
(1
1 r
)
0
,
电极化率
10/13
电介质的击穿
理想电介质中没有自由电荷，但是实际的电 介质中总是存在一定的自由电荷。可以在电场作用 下产生微弱的电流。
加在电介质上的电场强度足够大时，电介质 中的电流迅速增加，其绝缘性能被破坏，甚至电介 质可能被烧毁。这叫电介质的击穿。
热释电性：温度的变化 表面产生极化电荷
电光效应：施加电场 晶体折射率发生变化
重要应用领域：
微电子学技术、超声波技术、电子光学、激光技术 、
新材料等
3/13
※ 电介质对电场的影响
( 电介质放在电场中）
U 0 E0
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
σ σ
电场
U E
+++++++
- - -εr- - - -
)
0
,
Q'
εr εr
1
Q0
9/13
※ 电极化强度与电场强度的关系
充满 r 的各向同性均匀电介质的平行板电容器
P
σ
'
r 1 r
0
,
P ( r 1)0E
P (r 1)0E
大学物理 电介质
χ = εr − 1 电极化率
令 ε r = (1 + χ e ) 为相对介电常量（相对电容率）
ε = ε 0ε r ～电介质的电容率
5
四、极化电荷与自由电荷的关系
E
=
E0
−
E'=
E0 εr
E'=
εr − 1 εr
E0
d
σ'=
εr − εr
1
σ
0
Q' =
εr − εr
即 D⇒ E ⇒ P ⇒σ′ ⇒q′
9
物理意义
E
单位试验电荷 的受力
单位体积内的 P 电偶极矩的矢
量和 无物理意义， D 只有一个数学 上的定义 D = ε0E + P
= ε 0ε r E
特点
真空中关于电场的讨论都 适用于电介质：高斯定律、 电势的定义、环路定理等
各向同性均匀电介质中
P = ε0χe E ，表面束缚电荷 σ ′ = P ⋅ n ，电介质中P ≠ 0
D = (1+ χ )ε0E
ε r = (1 + χ )
ε = ε rε 0
相对电容率或相对介电常量
电容率或介电常量
D＝ε0ε r E = εE
•注意： D 是辅助矢量，描写电场性质的物理量仍为 E ,V
对于真空 χ e = 0 ε r = 1 ε = ε 0 则 D = ε 0 E
3、有电介质时的高斯定理的应用
在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。
4.极化电荷
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表 面要出现电荷，这种电荷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。我们称它为束缚电荷或极化电荷。 它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
电介质物理知识点总结
电介质物理知识点总结电介质是一类具有不良导电性能的材料，可用于电容器、绝缘体等应用中。
电介质物理是研究介质在电场作用下的电学性能的科学。
电介质物理是电磁场理论和介质物理学的重要组成部分。
下面我们将对电介质物理的相关知识点进行总结和展开。
1. 电介质的基本性质电介质是一种不良导电性能的材料，通常包括固体、液体和气体。
电介质的主要特点是在外电场作用下会发生极化现象。
极化是指介电极化，即在电场作用下使介质内部出现正负电偶极子的排列现象，从而使介质产生极化电荷。
常见的电介质包括空气、水、玻璃、塑料等。
2. 电介质的极化过程当电介质处于外电场中时，介质内部的正负电荷将发生位移，使介质被极化。
电介质的极化过程可分为定向极化和非定向极化两种类型。
其中，定向极化是指在介质中存在有定向的分子或离子，当外电场作用下，这些分子或离子会按照一定方向排列，这种极化过程被称为定向极化；非定向极化是指介质中的分子或离子并不具有固定的方向排列，当外电场作用下，这些分子或离子将发生不规则的排列，这种极化过程被称为非定向极化。
极化过程使介质产生极化电荷，从而改变了介质的电学性能。
3. 介质极化的类型根据介质极化的不同类型，可以将极化过程分为电子极化、离子极化和取向极化。
电子极化是指在电场的作用下，介质中的电子云将出现位移，从而使整个分子或原子产生极化；离子极化是指在外电场作用下，介质中的阴离子和阳离子将发生位移，产生极化现象；取向极化是指在电场作用下，具有一定取向的分子或离子将产生极化现象。
不同类型的极化过程会影响介质的电学性能。
4. 介质极化与介电常数介质的极化现象将改变介质的电学性能，其中介电常数是一个重要的参数。
介电常数是介质在外电场作用下的电极化能力的体现，介电常数越大，介质的电极化能力越强。
介电常数的大小将影响介质的导电性、电容性等电学性能。
5. 介电损耗介质在外电场作用下会产生能量损耗，这种现象被称为介电损耗。
介电损耗会导致介质内部的吸收能量和产生热量，从而影响介质的电学性能。
物理学中的电介质物理学理论
物理学中的电介质物理学理论电介质物理学理论是指在电学领域中，研究非金属材料在电场中的响应性质的学科，其研究的对象是电介质。
电介质是指在外界电场作用下，会将电能转换为其他形式的非导体材料。
电介质广泛应用于电子学、通信、电力等领域，是现代电子科技中不可或缺的一部分。
1. 电介质物理学理论的基础知识电介质在外界电场下会发生极化现象，也就是说，电介质中的电子、离子、偶极子等会产生相应的分布。
这种电荷分布会影响电介质中的电场分布，从而影响电介质物质的响应。
电介质分为线性电介质和非线性电介质，线性电介质遵循线性关系，而非线性电介质不遵循线性关系。
另外，电介质的极化可以分为自发极化和强制极化。
自发极化是指电介质中存在自发极化矢量，在无外界电场的作用下也会存在极化现象。
而强制极化是指电介质在受到外界电场的作用下，会出现新的极化矢量，这种极化是强制性的，与电介质自身性质无关。
2. 电介质的电容与介电常数对于一个电介质，其电容和介电常数是两个非常重要的参数。
电容指的是电荷与电势之间的比例关系，即电容等于电荷与电势的比值。
介电常数是电介质中电场强度与电位移密度之间的比值，介电常数越大，则电介质极化相对来说就越明显。
需要注意的是，电介质的介电常数会随着温度和频率的变化而变化。
在高温下介电常数通常会降低，而在频率高于1MHz时介电常数也会下降。
3. 非线性电介质的应用非线性电介质的特点是其电极化与电场的关系不是线性的，当电场强度超过一定阈值时，电介质中会出现非线性响应。
非线性电介质具有频率倍增与和谐倍频等非线性效应，被广泛用于激光技术、雷达通信以及图像处理等领域。
例如，二极管光谱翻转技术，通过在非线性晶体中将激光脉冲和稳态激光序列合并，可以生成高质量的超短脉冲。
4. 结语在科技不断进步的今天，电介质物理学理论正作为电子学、通信、电力等领域的重要组成部分，不断发掘和发展着。
通过系统而深入地学习电介质物理学理论，人们可以更好地理解各种电介质材料的性质，并将其应用于实际生活中的各种领域。
物理电介质
以下将电极化强度矢量简称为极化强度 束缚电荷就是指极化电荷。
2、极化（束缚）电荷与极化强度的关系：
可证明对于均匀的电介质，极化电荷集中在它的表面。
在介质中取 : 轴沿电极化强度方向，轴长度为dl
的斜柱体，底面为dS。其内部极化可视为均匀。
dS en
P
该体元具有电偶极矩
dl P V
，它可视为两端具有电荷
有极分子有上述两种极化机制。 在高频下只有位移极化。
4 极化电荷 Polarization charge or bound charge
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在 介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到 其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。我们 称它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由 电荷能用传导方法将其引走。
P dS 左底 P dS 侧面 P dS 右底 P dS
S
0 0 右底 PdS
右底1dS
1S (1S)
(包围的极化电荷)
+0 –0 -1′ +1′
三、 电介 质的 极化规律
E E0 E ' 是电介质中的总电场强度。
E0 是自由电荷产生的电场。
nˆ E ' 极化电荷产生的退极化场
EI
EII
EI
EII
2 0
EI EII EIII
EI
EIII
2
2 0
0
EII 0
1
2
3
4
E1 E2 E3 E4 0
1 2 3 4 0 20 20 20 20
1 2 3 4 0
EI
EII
EIII
EI
EII
EIII
物理学中的介电介质性质及其应用
物理学中的介电介质性质及其应用介电介质是一种物质，它在电场中具有极化现象，即它的原子或分子在电场的作用下会发生相对位移，即形成电偶极子。
在介电介质中，这种极化现象是电荷的转移，即一个电子从一个原子或分子跃迁到另一个原子或分子。
介电常数介电常数是一个强烈关联介电介质导电性的常数。
介电常数越大，则介电介质越具有储存电荷的能力，即能够极化更多的电荷。
因此，介电介质在电场中的储存能力直接与介电常数有关。
介电常数的作用是通过根据电介质存储的电荷量与电场强度的比值计算出电容器的电容值，并直接控制其耐压性能。
介电介质的种类常见的介电介质有空气、水、木材、铸铁、玻璃等。
介电介质具有稳定的化学性质，例如它们通常不会被化学反应损坏或氧化。
此外，它们还具有高耐热和机械强度，因此适用于各种工艺生产中。
应用介电介质在电能传输和电子元器件方面被广泛应用。
在电能传输中，高介电常数介质如瓷器和玻璃纤维通常用于制造高压绝缘子，用于电线、电缆绝缘体和电容器等。
在电子元器件方面，外部电场导致介电介质中载流子位移，进而改变介质中的导电性质从而实现电子元器件的实际应用。
另外，介电介质中的电介质阻挡和滤波器组件，在精密仪器和设备中也具有非常重要的应用。
在电子设备中，为了防止电信号中的噪音干扰其他部分，可用介电阻抗保护设备。
这种保护设备包括玻璃或白色陶瓷电容器、高温鼓风机和电信的隔离器等。
总结介电介质是在电场作用下发生极化现象的物质，其性能直接与介电常数相关。
介电介质具有化学稳定、高耐热和机械强度等特性，因此广泛应用于电能传输和电子元器件中。
在电子元器件和设备中，介电介质的应用可帮助防止电信号中的噪音干扰和进行电气隔离。
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电介质物理学
dielectric physics
研究电介质宏观介电性质及其微观机制以及电介质的各种特殊效应的物理学分支学科。
基本内容包括极化机构、标志介电性质的电容率与介质的微观结构以及与温度和外场频率间的关系、电介质的导热性和导电性、介质损耗、介质击穿机制等。
此外，还有许多电介质具有的各种特殊效应。
电介质性质电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。
固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。
凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。
电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。
有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。
通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化：①原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化；②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移极化；③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。
电介质极化时，电极化强度矢量P与总电场强度E的关系为P＝ε
χe E，ε0为真空
电容率，χ
e 为电极化率，ε
r
＝1＋χ
e
称为相对电容率(见电极化强度，电极化率）。
电极化率或
电容率与外电场的频率有关。
对静电场或极低频电场，上述3种极化类型都参与极化过程，一定电介质的电容率为常量。
电场频率增加时，转向极化逐渐跟不上外电场的变化，电容率变为复数，虚部的出现标志着电场能量的损耗，称为介电损耗。
频率进一步增加时，转向极化失去作用，电容率减小。
在红外线波段，电介质正、负电中心的固有振动频率往往与外场频率一致，从而产生共振，表现为电介质对红外线的强烈吸收。
在吸收区，电容率的实部和虚部均随频率发生大起大落的变化。
在可见光波段，位移极化也失去作用，只有畸变极化起作用。
光频区域的电容率实部进一步减小，它对应电介质的折射率，虚部决定了对光波的吸收。
在强电场（如激光）作用下，极化强度P与电场强度E不再有线性关系，这使电介质表现出种种非线性效应（见非线性光学）。
各向异性晶体的电容率不能简单地用一个数来表示，需用张量表示。
电介质特殊效应对电介质特殊效应的理论和应用构成了电介质物理学另一方面的研究内容。
这些特殊效应包括：①压电效应。
一些晶体因受外力而产生形变时，会发生极化现象，在相对两面上形成异号束缚电荷，称为压电效应。
压电晶体种类很多，常见的有石英、酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、钛酸钡，以及砷化镓、硫化锌等半导体和压电陶瓷等。
压电晶体的机械振动可转化为电振动，常用来制造晶体振荡器，其突出优点是振荡频率的高度稳定性，无线电技术中可用来稳定高频振荡的频率，这种振荡器已广泛用于石英钟。
压电晶体还普遍用于话筒、电唱头等电声器件中。
利用压电现象可测量各种情形下的压力、振动和加速度等。
②电致伸缩。
是压电效应的逆效应。
一些晶体在电场作用下会发生伸长或缩短形变，称电致伸缩。
利用电致伸缩效应可将电振动转变为机械振动，常用于产生超声波的换能器，以及耳机和高音喇叭等。
③驻极体。
除去外电场或外加机械作用后，仍能长时间保持极化状态的电介质称为驻极体。
驻极体同时具有压电效应和热电效应。
技术上大多采用极性高分子聚合物作为驻极体材料。
驻极体能产生30千伏／厘米的强电场。
驻极体能存储电荷的性能已被用于静电摄影术和吸附气体中微小颗粒的气体过滤器。
④热电效应。
具有自发极化造成的宏观电偶极矩，并具有较大热胀系数的晶体称为热电晶体。
处于自发极化状态的热电晶体，在电偶极矩正、负两端表面上本来存在着由极化形成的束缚电荷，但由于吸附了空气中的异号离子而不表现出带电性质。
当温度改变时，热电晶体的体积发生显著变化，从而导致极化强度的明显改变，破坏了表面的电中性，表面所吸附的多余电荷将被释放出来，此现象称为热电效应。
经人工极化的铁电体和驻极体都具有热电效应。
热电效应已用于红外线探测和热成像技术。
⑤电热效应。
热电效应的逆效应，具有电热效应的电介质（多为驻极体）称为电热体。
在绝热条件下借助于外电场改变电热体的永久极化强度时，它的温度会发生变化，此称为电热效应。
绝热去极化可降低温度，与绝热去磁法（见磁热效应）一样可用来获得超低温。
常用的电热材料有钛酸锶陶瓷和聚偏氟乙烯（PVF）等驻极体。
⑥电光效应。
某些各向同性的透明电介质在电场作用下变成光学各向异性的效应。
⑦铁电性。
在一些电介质晶体中存在许多自发极化的小区域，每个自发极化的小区域称为铁电畴，其线度为微米数量级。
同一铁电畴内各个电偶极矩取向相同，不同铁电畴的自发极化方向一般不同，因而宏观上总的电偶极矩为零。
在外电场作用下各铁电畴的极化方向趋于一致，极化强度P与电场强度E有非线性关系。
在峰值固定的交变电场反复作用下，P与E的关系曲线类似于磁滞回线（见铁磁性），称为电滞回线。
以上性质称为铁电性，具有铁
时，铁电畴互解，铁电性消失，铁电电性的电介质称铁电体。
当温度升高到某一临界值T
c
称为铁电居里温度。
铁电体具有很高的电容率。
铁电体必定体转变为普通顺电性电介质，T
c
同时具有压电性和热电性。
⑧铁弹性。
一些晶体在其内部能形成自发应变的小区域，称为铁弹畴，同一铁弹畴内的自发应变方向（畴态）相同，任两个铁弹畴的畴态相同或呈镜面对称。
外加应力可使铁弹畴从一个畴态过渡到另一畴态。
外应力改变时，应变滞后于应力变化，且应力与应变是非线性关系。
在周期性外应力作用下，应变与应力的关系曲线类似于磁滞回线，称为力滞回线。
以上性质称为铁弹性，具有铁弹性的电介质称为铁弹体。
铁弹体的电容率、折射率、电导率、热胀系数、导热系数、弹性模量和电致伸缩率等因方向而异，且这种方向性会随应力而变，利用这些特点在制造力敏器件上有着广泛的应用前景。