1.08 电介质极化的机理(1)
介质的极化和介质中的高斯定理
部电都介产质生内附部加的电总场场E强'。E
E0
E'
E0
'
'
极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电
场完全抵消，它只能削弱外电场。称为退极化场。
介质内部的总场强不为零！ 在各向同性均匀电介质中： E
E0
r
r称为相对介电常数或电容率。
3
二、介质中的高斯定理 电位移矢量
1.介质中的高斯定理
d
D2S 0S D1 D2 0 , D2 0
E2
D2
0r
0 0r
11
I区：D1
0,
E1
0 0
0
II区：D2 0 ,
②.求电容C
E2
0 0r
由C q U ab
与 U ab
Ed
高 斯
C q
0S
面
U ab E1(d d ' ) E 2d '
d' 0
D P1 P2
r
d
质中的高斯定理求场强：先根据自由电荷的分布利用 介质中的高斯定理求出电位移矢量的分布，再根据电 位移矢量与场强的关系求出场强的分布。
7
例1：将电荷 q 放置于半径为 R 相对电容率为 r 的介
质球中心，求：I 区、II区的 D、E、 及 U。
解：在介质球内、外各作半径为 r 的
高斯球面。
SD dS q0
荷密度为 0 , 其间插有厚度为 d’ 、电容率为 r 的电介质。
求 ： ①. P1 、P2点的场强E；②.电容器的电容。
解： ①. 过 P1 点作高斯柱面, 左右底面分别经过导体
和 P1 点。
D SD dS q0
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
电介质极化的微观机制
P 4πε 0
cos 2 θ sin θdθdϕ
例题三
P 4πε 0
cos θ sin θdθdϕ
整个球面在球心O处产生的退极化场
E ' = E ' z = ∫∫ dE ' z = − P 4πε 0 S
∫
π
0
cos 2 θ sin θdθ ∫ dϕ
0
2π
=−
P 3ε 0
平行板电容器，极板面积S,间距为 d，充有各向同性均匀介质，求充 介质后的E 和电容C 设：两极板上所带的自由电荷为 ± σ e σ 未充介质时 E0 = e ⎯ ⎯→ ε0 p = σ 'e σ ' 充介质后，退极化场 E ' = e ← ⎯⎯ ε0 = χ eε 0 E σ e − σ 'e 总场强 E = E0 − E ' = = E0 − χ e E ε0
感应、极化 自由、束缚
感应电荷：导体中自由电荷在外电场作用下作宏 观移动使导体的电荷重新分布——感应电荷、感 应电场
铁电体 极化的 微观机 制
特点：导体中的感应电荷是自由电荷，可以从导体的 一处转移到另一处，也可以通过导线从一个物体传递 到另一个物体 特点：极化电荷起源于原子或分子的极化，因而总是 牢固地束缚在介质上，既不能从介质的一处转移到另 一处，也不能从一个物体传递到另一个物体。若使电 介质与导体接触，极化电荷也不会与导体上的自由电 荷相中和。因此往往称极化电荷为束缚电荷。
出现正电荷
出现负电荷
极化强 度矢量 在介质 表面的 法向分 量
猜测E与P可能成正比（但有条件）——两者成线性 关系（有的书上说是实验规律，实际上没有做多少 实验，可以说是定义） 电极化率：由物质的属性决定
电介质的极化机制分析
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。
电介质极化机制
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
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
电介质极化
εr
电容器的电容增大了εr倍
例四、无限大均匀电介质中，浸入一电荷量为 例四、无限大均匀电介质中，浸入一电荷量为qf的 带电导体球，球半径为R，求介质中的场强。 带电导体球，球半径为 ，求介质中的场强。 设介质的极化率为 χ e （例6.3.2） ）
探讨介质对场的影响
束缚电荷
？ 极化电荷
否！
用摩擦等方法使绝缘体带电 摩擦等方法使绝缘体带电
绝缘体上的电荷——束缚电荷 束缚电荷 绝缘体上的电荷 并非起源于极化， 并非起源于极化，因而可能与自由电荷中和 实际上它是一种束缚在绝缘体上的自由电荷 实际上它是一种束缚在绝缘体上的自由电荷
自由、束缚是指电荷所处的状态； 自由、束缚是指电荷所处的状态； 是指电荷所处的状态 感应、极化或摩擦起电是指产生电荷的 是指产生电荷的原因 感应、极化或摩擦起电是指产生电荷的原因
n
dS
l
∆V = dSl cosθ
过dS的极化电荷 的极化电荷
一个分子的电偶极矩 设单位体积内有n 设单位体积内有 个分子 质心在如图柱体内的 偶极子才会被dS切割 偶极子才会被dS切割 dS
在S上任取面元dS(宏观小 上任取面元dS(宏观小 微观大),可认为d ),可认为 微观大),可认为dS附近的 分子的电偶极矩几乎同向
感应电荷：导体中自由电荷在外电场作用下作宏 感应电荷： 观移动使导体的电荷重新分布——感应电荷、感 感应电荷、 观移动使导体的电荷重新分布 感应电荷 应电场
特点： 导体中的感应电荷是自由电荷， 特点 ： 导体中的感应电荷是自由电荷 ， 可以从导体的 一处转移到另一处， 一处转移到另一处，也可以通过导线从一个物体传递 到另一个物体
p = σ 'e
σ e − σ 'e 总场强 E = E0 − E ' = = E0 − χ e E ε0
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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
讨论 球状原子模型:
③离子变化规律与原子相同。 ④极化强度有相同的变化规律 ⑤电子位移极化率与温度无关
课程小结
小结
①所有介质在电场作用下均会产生电子极化；
特点： ②极化建立时间很短，约为10-14~10-15s; ③电子位移极化率αe与温度基本无关.
熟悉
课堂练习与作业 教材P94页3题，12题
③极化建立时间很短，约为10-14~10-15s; 频率范围:4.2×10^14～7.8×10^14Hz
？？
2)电子位移极化率αe
模型
用球状原子模型来(如右图)计 算电子位移极化率。
假设：
①Ei作用下，电子云球状不变， 球半径为a,电子云在其中均匀分布
电子位移极化计算模型
②元素序数为Z，原子核的电荷量为Ze；
练习