电介质极化机制
大学物理7.13 电介质及其极化机理
无极分子——位移极化
2015/2/5
有极分子 ——取向极化
DUT 常葆荣
2
在外电场的作用下，电介质表面上出现束缚 电荷的现象叫做电介质的极化。
有介质时的电场强度
总电场
E E0 E
自由电荷 的场强
束缚电荷 的场强
2015/2/5
DUT 常葆荣
3
电介质的极化与导体r 静电感应的比较 E
+q ++
有极分子
1
无外电场时
热运动
-+
整体对外不显电性
无极分子
有外电场时
有极分子
E0
E0
束 -+ - + - + 束 束 -+ -+
束
缚 电 荷
-+ -+
-+ -+
-+ -+
缚 电 荷
缚 电 荷
Hale Waihona Puke -+缚 电 荷
_
++++
介质上的极化电荷 内部一小体积无净电荷。
导体上的感应电荷 电荷只分布在表面。
分离后撤去电场，呈电中性。 分离后撤去电场，一般 都带电。
2015/2/5
DUT 常葆荣
4
二、极化强度与电场及极化电荷的关系
极化强度
r P
r pi
P np （C /m2 ）
对各向同性电介质
n
V
7.4 静电场中的电介质
一、电介质分子的结构及极化的微观机制
电介质分子是中性的,可用一对正负等效电荷代替
23电介质的极化1
静电场中:(1)存在导体时，出现静电感应，其体内00='+=E E E，表现出许多特性，如导体等势体等；(2)存在介质时，出现介质极化、极化电荷，其内00≠'+=E E E。
本章研究电介质中的静电场性质，是上一章的延续，也是静电学的一般形式，是静电学的难点和重点。
§3 电介质的极化一、极化现象1、电介质几乎所有的物体在电场中都呈现介电导电双重性质。
具有介电性的物体称为电介质。
理想的电介质是良好的绝缘体，即完全没有 导电性的物质，其内部无自由电子，但因物质由分子、原子（核、核外电子）组成，故它们对电场的作用有一定响应，且与电场之间有一定相互作用。
2、极化现象现象之一：如图3-1，介质微粒直立，出现极化。
（制作砂纸的原理）图3-1现象之二：如图3-2，两相同电容器，其真空电容量均为0C ，并联地接在同 一电源上——恒压。
在2电容器内充满介质，则其电容量为C ，实验告知C 增大至0C 的r ε倍0C C r ε=式中r ε反映电介质性质，不同的介质其r ε不同，是一个纯数，直流高压电源导体平板电容器有表可查，称为相对介电常数。
图3-2[分析]∵U 相同，U q C 10=、UqC 2=，且0C C r ε= ∴12q q r ε=，或12σεσr =。
尽管2电容器极板上自由电荷分布比1电容器大，但1、2两电容器内的电场大小未变：Ed d E U ==0，即E E =0，此处的E 是介质内的总场，12σσ>，故知介质板上两侧出现极化电荷产生附加场E '，使2σ激发的场与E '抵消后仍保持0E E =合。
现象之三：如图3-3，两相同电容器充电后与电源断开，带电Q 恒定，测量充满介质r ε和不充介质两情况下极板间的电压U 。
实验告知：0U U <，如何解释成因？图3-3+Q-Q+Q-Q+ Uo - +U -Q 一定, U ↓,表明引入介质使电容器两板间场↓=dUE ， 而原来的0E 在介质内变成E ，即充介质后板间的电场变弱，有一种“屏蔽”作用——极化现象。
交变电场作用下,电介质的极化响应方式
交变电场作用下，电介质的极化响应方式一、引言在电磁学中，电介质是一种能够被电场极化的材料，它在外加电场的作用下会产生极化现象，从而影响整个电场的分布和性质。
在交变电场的作用下，电介质的极化响应方式表现出多样性和复杂性，不仅涉及到电介质材料的性质，还与交变电场的频率、强度等因素密切相关。
本文将深入探讨交变电场作用下，电介质的极化响应方式，以期帮助读者更全面地理解这一现象。
二、电介质的极化响应方式1. 电介质极化的基本原理电介质在外加电场作用下，内部的正、负电荷将会发生重新排列，从而使得电介质整体上表现出极化的现象。
这种极化现象的基本原理是在交变电场的作用下仍然成立的，只不过在交变电场下，极化响应会呈现出更多的特性和变化。
2. 电介质的弛豫现象在交变电场的作用下，电介质的极化响应将会面临弛豫现象。
弛豫时间是电介质极化响应的一个重要参数，它决定了电介质在交变电场下的极化行为。
不同类型的电介质会表现出不同的弛豫时间，进而影响其在交变电场下的极化响应方式。
3. 电介质的频率响应另外，交变电场的频率也会直接影响电介质的极化响应方式。
对于不同频率的交变电场，电介质的极化响应表现出不同的特性。
在低频下，电介质可以完全跟随外加电场的变化；而在高频下，电介质极化的响应可能会显著滞后于外加电场的变化。
三、探讨交变电场作用下的电介质极化响应1. 不同类型电介质的极化行为对比针对交变电场作用下的电介质极化响应，我们可以分别讨论一些典型的电介质材料，比如晶体型电介质和非晶体型电介质等，探讨它们在不同频率和强度的交变电场下的极化响应方式，并对比它们之间的异同。
2. 交变电场频率对于电介质极化响应的影响我们也可以深入探讨交变电场频率对于电介质极化响应的影响。
通过理论分析和实验结果，可以进一步揭示不同频率下电介质极化响应的特性，并探讨这种特性背后的物理机制。
3. 电介质极化的应用前景我们还可以展望电介质极化响应的应用前景。
可以探讨电介质极化在电子器件、传感器、储能装置等领域的潜在应用，并探讨其在实际工程中的重要作用和意义。
电介质极化与介电常数
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
电介质研究电场强度与电介质极化的相互作用
电介质研究电场强度与电介质极化的相互作用电介质是指在电场作用下可以发生极化现象的物质，其极化程度受到电场强度的影响。
电介质的极化现象是指在电场作用下，电介质内部的正负电荷分别聚集在相对应的两端，形成电偶极子。
本文将探讨电场强度与电介质极化的相互作用。
1. 电介质极化的基本原理电介质的极化是指在电场作用下，电介质原子或分子中的电子云与原子核发生相对位移，形成正负极化。
电介质的极化可以分为电子极化、离子极化和定向极化等。
不同类型的电介质极化方式有所不同，但本质上都是受到电场力的作用而发生的。
2. 电场强度与电介质极化的关系电介质极化程度与电场强度之间存在一定的关系。
当外加电场强度增大时，电介质内的正负电荷分布更加明显，电介质极化程度增加。
而当外加电场强度减小或者消失时，电介质极化程度也相应减弱或消失。
3. 电介质极化对电场的影响电介质极化对电场有一定的影响。
当电介质处于极化状态时，它本身所产生的极化电荷会在内部产生电场，这个电场与外加电场方向相反，使得整个电场发生变化。
因此，电介质极化会导致外加电场的减弱。
4. 电介质极化的应用电介质极化在工程和科学研究领域有着广泛的应用。
首先，在电力系统中，电介质极化现象是电力设备正常运行的基础。
其次，电介质极化也可以应用于电容器、电介质存储器等电子元件的制造。
此外，电介质极化还可以用于传感器、调谐器等领域。
5. 电介质极化的因素电介质极化不仅与电场强度相关，还与电介质的物理性质有关。
电介质的极化程度受到电介质本身的分子结构、分子极性、电离能、熔点、热胀冷缩等因素的影响。
6. 电介质极化与介电常数介电常数是用来描述电介质对电场的响应能力的物理量，它与电介质极化程度密切相关。
介电常数越大，电介质极化程度越高，即对电场的响应能力越强。
总结：电介质研究电场强度与电介质极化的相互作用是一个重要的研究领域。
通过对电场强度与电介质极化的关系进行研究，可以更好地理解和应用电介质的特性。
《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。
1.08 电介质极化的机理(1)
3）其它计算αe模型
单原子模型：
①球状原子模型 ②圆周轨道模型 ③介质球模型
①双原子分子的简化模型 非球状分子模型：
②回转椭球分子模型
讨论 单原子模型： 球状原子模型 ①同族元素随原子系数增加而增大。
讨论
讨论 球状原子模型:
②同一周期内原子半径与电子位移极化率的变化情况。
2)电子位移极化率αe
半径为x球内电子云对原子 核的库仑引力为？
计算
- - +-
-
参考均匀带 电球壳电场
2)电子位移极化率αe 原子核受到有效电场Ei的电场力为： 原子核与电子云平衡时有：
即:
2)电子位移极化率αe
结果
电子位移极化率：
意义： ①已知原子半径a,就可计算出αe； ②电子位移极化率αe与温度基本无关。
1)电子位移极化
以单原子为例，如右图所示:
原理
Ei x
μe
当Ei=0,电子云中心与原子核重合， μ示意图
当Ei≠0,电子云中心与原子核距离为x， 距离x与外电场？？
1)电子位移极化
特点
特点：
①极化μe不是原子固有，在外电场Ei作用下感应产生；
②所有介质在电场作用下均会产生电子极化；
电介质物理基础
第一章 电介质的极化
第五节 电介质极化的机理（1） 曾敏
概述
极化机理
根据电介质的极化微观机理，极化可分为：
①电子位移极化αe ②离子位移极化αa ③偶极子转向极化αd ④热离子松弛极化αT
⑤夹层（界面）极化
说明：在实际介质中，往往是多种极化并存！
一.电子位移极化及电子极化率αe
Ei=0
电介质的极化课件
电介质分类
总结词
电介质根据其组成和结构可分为离子型、电子型和复合型三 类。
详细描述
离子型电介质由正负离子组成，在电场作用下离子会发生定 向移动形成传导电流。电子型电介质由自由电子组成，其导 电性类似于金属导体。复合型电介质则同时包含离子和电子 两种导电机制。
电介质性质
总结词
电介质的主要性质包括绝缘性、介电常数、介质损耗等。
详细描述
电介质的绝缘性是指其抵抗电流通过的能力，介电常数则反映了电介质在电场 作用下的极化程度，而介质损耗则是指电介质在电场作用下能量损耗的能力。 这些性质在电力系统和电子设备中具有重要的应用价值。
02
电介质极化原理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场的作用下， 正负电荷中心发生相对位 移，从而在电介质中出现 的宏观电荷现象。
压电效应
压电效应是指电介质在受到外力作 用时，会在其内部产生电荷的现象 ，其特点是具有逆压电效应和正压 电效应。
极化机制
电子位移极化
取向极化
电子位移极化是指在外加电场的作用 下，电子受到电场力的作用而发生位 移，从而产生宏观电荷的现象。
取向极化是指在外加电场的作用下， 分子中的正负电荷中心发生相对位移 ，从而产生宏观电荷的现象。
分析不同电介质材料的极化特 性。
实验设备
电极
用于施加电场和测 量电位的电极。
测量仪器
用于测量电介质极 化率的测量仪器。
电介质样品
不同类型和性质的 电介质材料。
电源
用于提供实验所需 电压的电源。
实验装置
包括电容器、绝缘 支架、绝缘棒等组 成的实验装置。
实验步骤
01
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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。
加了外电场后，在场力作用下每一分子的
正、负电荷“重心”错开了，形成了一个电偶极子（图
4一3a)，分子电偶极矩的方向沿外电场方向，这种在外电场作用下产生的电
偶极矩称为感生电矩。
以后在图中用小箭头表示分子电偶极子，其始端为负电荷，未端为正电荷。
对于一块电介质整体来说，由于其中每一分子形成了电偶极子，它们的情况可用图2-15b 表示。
各个偶极子沿外电场方向排列成一条条“链子”，链上相邻的偶极子间正、负电荷互相靠近，因而对于均匀电介质来说，其内部各处仍是电中性的；但在和外电场垂直的两个端面上就不然了，一端出现负电荷，另一端出现正电荷，这就是极化电荷。
极化电荷与导体中的自由电荷不同，它们不能离开电介质而转移到其它带电体上，也不能在电介质内部自由运动。
在外电场的作用下电介质出现极化电荷的现象，就是电介质的极化。
由于电子的质量比原子核小得多，所以在外场作用下主要是电子位移，因而＿L 面讲的无极分子的极化机制常称为电子位移极化。
图2-15电子的位移极化
(2)有极分子的取向极化
水分子是有极分子的例子（图2-15a)。
在没有外电场时，虽然每分子具有固有电矩，但由于分子的不规则热运动，在任何一块电介质中，所有分子的固有电矩的矢量和，平均说来互相抵消，即电矩的矢量和为
为0，宏观上不产生
电场。
现在加上外电场E 0，则每个分子电矩都受到力矩作用（图2-15b)，使分
子电矩方向转向外电场方向，于是
不是0了，但由于分子热运动的缘故，
这种转向并不完全，即所有分子偶极子不是很整齐地依照外电场方向排列起来。
当然，外电场愈强，分子偶极子排列得愈整齐。
对于整个电介质来说，不管排列的整齐程度怎样，在垂直于电场方向的两端面上多少也产生一些极化电荷如图4 -4c 所示，在外电场作用下，由于绝大多数分子电矩的方向都不同程度地指向右方，所以图中左端便出现了末被抵消的负束缚电荷，右端出现正的束缚电荷、这种极化机制称为取向极化。
图2-15电子的位移极化。