电介质极化与介电常数
介质的极化和介电常数
介质的极化和介电常数介质是指具有一定的电导率、介电常数、介磁常数和磁导率的物质，因此，在电磁学中，介质起着非常重要的作用。
介质的极化和介电常数是介质的两个重要性质，对于了解介质的性质和在电磁学应用中起着非常重要的作用。
一、介质的极化介质的极化是指当电场作用于介质时，介质中的分子或离子会发生定向排列，使得介质不再是电中性的状态。
介质中正负电荷的分离称为极化。
1.取向极化介质中的分子或离子具有磁矩或偶极矩，当外加电场作用时，它们会在外力的作用下发生旋转，并与电场方向调整一致而产生极化。
这种极化称为取向极化，它是介电常数与频率有关的一个主要因素。
2.电子云极化电子具有电荷，它在外电场作用下会产生势能，电子云会向外扩散，然后与电场相反的方向移动，形成极化电荷。
因为电子云的大小不一，电子云极化是介电常数与频率有关的另一个重要影响。
3.离子极化在某些情况下，例如在液态和熔融状态下，介质分子可以发生电离或掉电子，从而产生离子极化。
离子极化主要与介质的物理状态、化学结构和温度有关。
二、介电常数介电常数是介质在外电场作用下对电荷的电场力的响应能力的一种量度。
它反映了介质的电介质性质，是比电常数的函数。
介电常数在多种电磁学应用中都有它的功能，例如极板电容器、电场探测器、能量储存设备等。
它的理论计算通过一些基本理论可以求解，例如连续性方程、功率定理、闭合波导等。
综上所述，介质的极化和介电常数是介质电磁性质中的两个基本分支。
极化是介质对电场响应的一种体现，介电常数则对介质电场作用的响应能力进行定量描述，两种性质在相互联系、相互作用的基础上，共同组成了介质电介质学这个广泛应用的分支。
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
电介质的介电常数与极化特性
电介质的介电常数与极化特性电介质是电场中的一种物质，具有一定的极化特性和介电常数。
电介质的极化和介电常数的研究在物理学和工程学领域有着重要的应用价值。
本文将从介电常数的概念、极化现象的原理以及电介质中的极化类型等角度展开讨论。
1. 介电常数的概念介电常数是描述电介质对电场的响应能力的物理量，它可理解为电介质在电场作用下的极化程度。
通常用ε表示，分为静态介电常数（ε0）和频率相关的介电常数（εr）两种。
静态介电常数是在频率趋于零的情况下的介电常数，而频率相关的介电常数是在介质中电场的频率不为零时的介电常数。
2. 极化现象的原理电介质的极化现象是指当电介质处于外电场作用下，电介质中的正负电荷发生位移，使得电介质的原子或分子发生重新排列，从而形成了电偶极子。
这种电偶极子的形成导致了电介质内部的极化现象，即正负电荷的不均匀分布。
3. 电介质中的极化类型电介质中的极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化三种类型。
3.1 电子极化电子极化是指电介质中原子中的电子由于受到电场的作用而相对于原子核发生位移，使得电介质内部产生电偶极矩。
电子极化主要发生在共价键形成的电介质中，如氧化物、硅酸盐等。
3.2 离子极化离子极化是指电介质中的正负离子在电场作用下发生位移，使得电介质中形成正负电荷的分离。
离子极化主要发生在离子晶体和电解质溶液等中。
3.3 取向极化取向极化是指电介质中的分子由于电场的作用而发生取向排列，使得电介质内部形成偶极矩。
取向极化主要发生在极性分子中，如水和有机物中。
4. 介电常数与极化特性的关系电介质的极化程度与其介电常数密切相关。
介电常数越大，表示电介质的极化能力越强。
当电介质处于较强的电场中时，其极化程度较大，介电常数也就相应较大。
不同类型的极化对介电常数的贡献是不同的，电子极化对介电常数的贡献最大，而离子极化和取向极化的贡献次之。
5. 电介质的应用电介质的极化特性和介电常数在工程学领域有着广泛的应用。
电介质的极化与介电常数
电介质的极化与介电常数电介质，是指材料中的电荷在外加电场作用下发生的极化现象。
在电介质中，原子和分子中的电子和正离子会受到外加电场的作用，从而产生电偶极矩，导致材料整体上出现正负电荷的分离，这种现象也称为电介质的极化。
电介质的极化可以通过介电常数来描述。
介电常数是一个用来衡量材料中电介质极化程度的物理量。
它代表了电介质相对于真空或空气的极化能力，通常用符号ε来表示。
介电常数可以分为静电介电常数和动态介电常数。
静电介电常数是在恒定电场下材料发生极化的能力，而动态介电常数则是在变化的电场下电介质对电磁波的响应程度。
电介质的极化可以分为电子极化和离子极化两种情况。
电子极化是指电介质中的电子沿着外加电场的方向产生位移，使得电介质内部出现正负电荷的分离。
这种极化主要发生在共价键结构的材料中，例如氧化物、氢氧化物和塑料等。
离子极化则是指电介质中的化学键断裂，正负离子沿着外加电场方向运动，形成分离的电荷。
这种极化主要发生在离子晶体中，例如盐类和石英等。
对于理想的电介质而言，其极化过程可以用简单的电偶极子模型来描述。
电偶极子由正负等量的电荷构成，它们之间的距离称为电偶极矩。
当外加电场作用下，电偶极子会倾向于与电场方向相同的方向对齐，这就是电介质的极化现象。
然而，在现实材料中，电介质的极化过程往往比较复杂。
除了电子极化和离子极化外，还存在位移极化、界面极化和空间电荷极化等多种极化形式。
位移极化是由于电介质存在自由电荷或固有偶极矩时产生的现象，使得电荷在电场作用下产生位移。
例如金属中的自由电子就会受到外加电场的作用而运动，产生位移极化。
界面极化则是由于电介质与其他物体或界面的相互作用而产生的极化过程。
当电介质与真空或其他材料接触时，其表面产生一个电荷层，从而形成界面极化。
空间电荷极化是由于电荷在电磁场作用下发生运动，形成电场梯度，使得电介质内部产生极化。
这种极化在高频电场下比较明显，对介电常数的影响较大。
通过了解电介质的极化过程及其影响因素，可以更好地理解介电常数的概念。
电介质中的极化现象与介电常数
电介质中的极化现象与介电常数电介质是一种能将电场中的电荷正负离子重新分布的材料，当电介质置于外加电场中时，其内部的正负离子会发生极化现象，使介质中产生一个与外加电场方向相反但大小相同的极化电场。
这个极化过程是由于正负离子在电场作用下移动所引起的。
本文将讨论电介质中的极化现象与介电常数。
一、极化现象的机理在电介质中，正负离子之间存在有电相互作用，当外加电场作用于电介质时，电场力会将正负离子向相反方向移动，这种离子移动产生了两种电极化现象：取向极化和电荷极化。
1. 取向极化取向极化主要指的是电介质中的分子在电场作用下，由于自发定向而出现极化现象。
电场力可以使分子的正极和负极重新排序，使得整个电介质的正极和负极方向与外加电场方向相反，从而形成一个与外加电场方向相反但大小相同的极化电场。
2. 电荷极化电荷极化是由电介质中的正负离子在电场作用下发生移动而产生的。
正离子会向电场方向移动，而负离子则向相反的方向移动，导致电介质中产生一个内部电场，与外加电场方向相反。
二、介电常数的概念介电常数是反映电介质中电极化程度的物理量，用ε或ε_r表示。
它定义为电介质中产生的电场强度与外加电场强度之比。
介电常数越大，说明电介质在外加电场下电极化程度越高。
介电常数既可以是常数，也可以是频率相关的量。
对于静态或低频区域，介电常数是常数，而在高频区域，介电常数则会随频率的增加而变化。
三、介电常数的影响因素介电常数的大小受到多个因素的影响，以下是其中几个主要因素：1. 分子结构和极性分子结构和极性对电介质的介电常数有重要影响。
极性分子的电介质通常具有较高的介电常数，因为极性分子能更容易受到电场的影响，形成较强的极化。
2. 温度介电常数通常随着温度的升高而减小。
这是因为温度的升高会增加电介质中分子的热运动，使分子难以保持定向，从而降低电介质的极化程度。
3. 频率介电常数在不同频率下也会有所不同。
在高频区域，极化过程会受到分子间相互作用和电场反向作用的影响，导致介电常数的变化。
介电常数
29
离子间作用力强，相同外电场使离 子产生位移困难； 离子间作用力弱，相同外电场使离 子产生位移容易。 离子位移极化所需的时间10-12 10-13秒。
30
外电场频率>1013赫兹时，时间 <10-13秒，离子位移极化来不及完成， 不再产生离子位移极化，而产生电 子位移极化。（极化时间10-14 10-15秒）
14
如下图被电场极化了的介质表面
出现感应电荷，这些电荷不会跑到
极板上而被束缚在介质表面，称为 表面束缚电荷。
15
16
极化的微观本质就是介质内部带电质点产 生位移。但由于介质内部质点的束缚力很强， 在电场作用下沿一定方向的相对位移是有限 度的，是在平衡位置附近的很小的位移，因 而它不是载流子，不形成电流。
33
与离子位移极化的区别： 离子位移极化只在平衡位置附 近移动。 离子松弛极化，离子是从一个 平衡位置运动到另一个新的平衡 位置。
34
离子松弛极化可用下述过程描 述，若在某缺陷附近有两个平衡 位置1及2，中间隔有势垒u(下图 a)，当离子热运动能超过势垒高 度u时，离子就从1迁移至2，反之， 离子也可以从2迁移至1．在一定 温度下离子迁移的几率与势垒u有 关。
6
各种材料室温时的介电常数为： 装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：212 Ⅰ型电容器瓷：6 1500； Ⅱ型电容器瓷：200 3万； Ⅲ型电容器瓷：7000 几十万； 压电陶瓷：50 20000 干燥空气；1.000585； 真空：1。
7
由上可知，电子陶瓷的介电 常数数值范围很大。介电常数大 的材料，可以制造容量大、体积 小的电容器；介电常数小的材料， 用来制造装置另件。
第二节
介电常数
电子陶瓷除具有绝缘性质外，还能储 存电荷。 介电常数就是衡量其储存电荷能力的 参数，又叫介电系数或电容率。 一、介质极化和介电常数 设有一个真空中的平行板电极系统，电 极面积为s，两极板间的距离为 l ，在两 极板间加上直流电压U，则极板上将充有 电荷Q0一 陶瓷介质，而极板的面积s和距离l不变； 或在厚度为l的平板形陶瓷介质两面被上 面积为s的电极。在电压U不变的情况下， 极板上电荷由Q0增加到Q。 电荷增加是由于陶瓷介质在电场作 用下发生极化的结果。这一现象叫介质 的宏观极化。它是介质微观质点极化的 外部表现。极板上电荷增加的过程也就 是微观质点极化的过程。
介电性能
正压电效应实验
1880年，Piere 兄弟实验发现 ，对α-石英单 晶体在一定方 向上加力，则 在力的垂直方 向出现正负束 缚电荷—压电 效应。
具有压电效应 的物体—压电 体。
正压电效应：是机械能转换成电能的过程
++++++++++ ----- -- -- --
束缚电荷形成新的电场，该电场与外加电场的方向 相反---退极化场Ed。 宏观电场：E宏=E0+Ed
极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。
极化电荷：电介质在外电场的作用下，在和外电场相垂 直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自 由移动，也不能离开，总保持中性。
如，电致伸缩陶瓷ＰＺＮ（锌铌酸铅陶瓷）
对于一般电介质，电致伸缩效应所产生的应变 实在太小，可以忽略．
压电性产生的原因
石英晶体的化学组成是SiO2，3个Si原子和6个O原 子位于晶包的格点上。Si4+ ， O2-。
当材料受到压缩应力的 作用时，A面Si4+挤入两 个O2-间， B面O2- 挤入 两个Si4+间。因此，A面 出现负电荷，B面出现正 电荷。
电击穿
1.电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿 ，由此产生点坑、孔洞和通道并连通；
2.击穿发生于材料的表面，通过表面水分 或污染杂质增加了击穿的可能性；
3.电击穿是一种集体现象，能量通过其它 粒子（例如，已经从电场中获得了足够能 量的电子和离子）传送到被击穿的组分中 的原理或分子上。
压电性
电介质作为材料，主要用于电子工程中的绝缘 材料、电容器材料和封装材料—应用的是电介 质的共性性质。
介质和电介质的特性和应用有哪些
介质和电介质的特性和应用有哪些一、介质的概念介质，又称传播介质，是指电磁波传播的媒介。
介质可以是固体、液体、气体，甚至是真空。
不同的介质对电磁波的传播有不同的影响。
介质中电磁波的传播速度与介质的性质有关，如介质的折射率、介电常数等。
二、电介质的特性电介质是指在电场作用下，其内部会产生极化现象，从而影响电场分布的物质。
电介质的主要特性有：1.极化：电介质在外加电场的作用下，内部会产生极化现象，即正负电荷分别向电场方向和相反方向移动，形成局部电荷分布。
2.介电常数：电介质的介电常数（ε）是描述电介质极化程度的物理量，反映了电介质对电场的响应能力。
介电常数越大，电介质的极化程度越高。
3.绝缘性：电介质具有良好的绝缘性能，可以阻止电流的流动。
绝缘材料广泛应用于电力系统和电子设备中，以防止漏电和短路。
4.存储电荷：电介质在去除电场后，仍能保留一定量的电荷，称为电容。
电容是电介质储存电能的能力，广泛应用于电容器中。
三、电介质的应用1.电容器：电容器是利用电介质的储存电荷能力，实现电能存储和释放的元件。
电容器广泛应用于电子设备、电力系统、通讯等领域。
2.绝缘材料：电介质具有良好的绝缘性能，可以阻止电流的流动。
绝缘材料广泛应用于电力系统和电子设备中，以防止漏电和短路。
3.屏蔽材料：电介质可以用于屏蔽电磁干扰，保护电子设备免受外部干扰。
4.介质波导：电介质波导是一种用于传输电磁波的介质管道，广泛应用于光纤通信、微波传输等领域。
四、介质的分类及应用1.固体介质：如陶瓷、玻璃、塑料等。
固体介质在电子元件和微波器件中有广泛应用，如微波谐振器、滤波器等。
2.液体介质：如水、油、酸碱盐溶液等。
液体介质在电力系统中作为绝缘材料和冷却剂，以及化学实验室中的试剂。
3.气体介质：如空气、氮气、氧气等。
气体介质在电力系统中作为绝缘气体，以及灯泡中的填充气体。
4.真空介质：真空是一种特殊的介质，具有极低的介电常数。
在某些高频电路和微波器件中，真空介质可以作为优良的传播介质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
几种介电质的介电常数
材料类别 气体介质（标准大气条件）
弱极性
液体介质
极性
强极性
固体介质
中性或 弱极性
极性
离子性
名称
空气
变压器油 硅有机液体
蓖麻油 氯化联苯
丙酮 酒精 水
石蜡 聚苯乙烯 聚四氯乙烯
松香 沥青
纤维素 胶水 聚氯乙烯 沥青
云母 电瓷
相对介电常数εr（20℃）
1.00058
2.2 ~ 2.5 2.2 ~ 2.8
4.5 4.6 ~ 5.2
22 33 81
2.0 ~ 2.5 2.5 ~ 2.6 2.0 ~ 2.2 2.5 ~ 2.6 2.6 ~ 2.7
6.5 4.5 3.0 ~ 3.5 2.6 ~2.7
5~7 5.5 ~ 6.5
讨论电介质极化的意义：
1、选择绝缘：
电容器 r 大 电容器单位容量体积和重可减少
能产生，与频率无关
当物质原子里的电子轨道受
4、极化强度与电矩的大小成正比 ，且随着外电场的增强而增 大
5、与温度基本无关 6、不引起能量损耗
到外电场 E 的作用时，其负电荷 作用中心相对于原子核产生位移 ，形成电矩，称电子的位移极化 。
二、离子的位移极化
极化机理：
在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使整个分子呈现极 性，正负离子的中心之间产生电矩，称离子的位移极化
电介质极化的概要
名称
产生极化的地方、 特征等
到达平衡 的时间
电子式极化 离子式极化 偶极子极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化
任何物质的原子中 离子组成的物质 极性分子组成的物质 复合介质的交界面
电极近旁
10-15秒 10-13秒 10-10 ~ 10-2秒 数秒 ~ 数日 数秒 ~ 数日
发生极化的原因 束缚电荷的位移 自由电子的移动
电缆 r 小 可使电缆工作时充电电流减小
电机定子线圈槽出口和套管 r 小,可提高沿面放电电压
2、多层介质的合理配合： 1E1 2E2电场分布与 成反比 组合绝缘采用适当的材料可使电场分布合理
3、研究介质损耗的理论依据：介质损耗与极化类型有关，损耗是绝缘 劣化和热击穿的主要原因
4、绝缘试验的理论依据：在绝缘预防性试验中通过测量吸收电流可以 反映夹层极化现象，能够判断绝缘受潮情况。吸收电荷将对人身构 成威胁
在：介质空间从新分布，夹层界
面由电荷堆积的过程，从而产
生电矩
高电压设备的绝 缘由几种不同的 材料组成，或介质不均匀，这种情况 会出现“夹层介质界面 极化”现象。
特点：
1、多层介质 2、只在低频下存在，夹层界面上电荷的堆积是通
过介质电导G完成的，其过程很缓慢，它的形成 时间从几十分之—秒到儿分钟，甚至有长达几小 时的。 3、与电场强度和温度有关 4、有能量损耗
三、极性分子的转向极化
极化机理：
E=0
(a)无外电场
E
-
+ +
-+ -+
-+ -+
-+ -+
-
+
+ -+ -+ -+ -
(b)有外电场
在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子顺电场方向定向排 列，对外显示出极性，称极性分子的转向极化
特点：
1、极性共价化和物 2、极化完成时间约为 l0-6-10-2s，甚至更长，与频率有关，
五、空间电荷极化
极化机理：正负离子移动 介质类型：含离子和杂质离子的介质 建立极化时间：很长 极化程度影响因素：
电场强度（有关） 电源频率（低频下存在） 温度（有关） 极化弹性：非弹性； 消耗能量：有
E
_ _
_-
+ ++
空间电荷极化
特点：
1、主要在含离子和杂质离子的介质中发生 2、过程较慢 3、有能量损耗 4、时间很长，仅在低频率下存在
有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小 3、与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就
越整齐，转向极化就越强 4、与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热
运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱。 对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系 紧(例如粘度很大)，分子难以转向．极化较弱。所以极 性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强， 以后当热运动变得较强烈时，极化又随温度上升而减小 5、有能量损耗
电介质极化与介电常数
一、极化现象
电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作 用电介质内部物理结构发生变化，结果导致电介质内 部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显 现电性。这个过程称作极化
+ + + + + + + E0
极化前
--- - - --
极化后
电介质的极化有五种基本形式：
气体种类
氦 氢 氧 氮 甲烷 二氧化碳 乙烯 空气
相对介电常数
1.000072 1.000027 1.00055 1.00060 1.00095 1.00096 1.00138 1.00059
液体电介质的介电常数
电子位移极化 离子位移极化 转向极化 夹层介质界面极化 空间电荷极化
一、电子的位移极化
特点：
极化机理：
No 1、电子位移极化存在于一切气体 、液体及固体介质中 2、具有弹性，当外电场去掉后，
依靠正、负电荷间的吸引力
，作用中心又马上会重合，
Image 对外不显电性
3、极化速度快，10--14~10--15秒， 在各种频率的交变电场下均
特点：
1、存在离子化合物中； 2、极化完成时间约为 l0-12-10-13s，与频率无关 3、极化程度与电场强度成正比 4、温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；
即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增 加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程 度降低。通常前一种因素影响较大 5、有极微量的能量损耗
5、研发新型绝缘材料
思考题：电介质中各种极化的性质？
The End Thank You
气体电介质的介电常数
气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化 率很小，一切气体的相对介电常数都接近1。
气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力 的增大略有增加，但变化很小。
部分气体的相对介电常数 环境条件 20℃, 1 atm
1
1
四、夹层极化 极U1化机G11UG理11G：12 CU11C1GC112GU2G2 UC1C2C2 U
U2 GU1G21GC2 1UC1C2 U
合闸时： 稳态时：
U1 C2 U 2 t0 C1
U1
G2Leabharlann U 2 t G1当 1 2 1 2
：
U1 U1
则
U U 2 t0
2 t
存在电压从新分配，电荷