电介质物理-电介质的极化
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。
电介质的极化
•7.8 静电场中的电介质 7.8
交变电场
水、油分子反复极化
摩擦生热、 摩擦生热、共振
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2. 无极分子
位移极化
微观表现： 无极分子在外场的作用下正负电荷中心 微观表现： 发生偏移而产生的极化称为位移极化 位移极化。 发生偏移而产生的极化称为位移极化。 原子、分子尺度。 原子、分子尺度。 宏观表现(均匀介质)：介质表面出现极化电荷(波炉加热的原理
静电场中的电介质
电介质 (Dielectric)，就是绝缘体 —无自由电 ， 无自由电 不导电。 子，不导电。
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导体放入静电场中，…… 导体放入静电场中，
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§7-8 静电场中的电介质
电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 绝缘体放入静电场中，会产生什么作用呢 绝缘体放入静电场中，
±
有极分子： 分子的正、 有极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时不重 分子存在固有电偶极矩 固有电偶极矩。 合，分子存在固有电偶极矩。 p
-q +q
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在无外电场时，无论哪种电介质， 在无外电场时，无论哪种电介质，整体都呈现 电中性。 电中性。为什么
分子排列杂乱无章 如果给电介质加上外场呢
极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷 极化电 极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷(极化电 束缚电荷)的现象称电介质的极化 的现象称电介质的极化。 荷或束缚电荷 的现象称电介质的极化。
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电介质的极化是怎样产生的呢 电介质的极化是怎样产生的呢 极化 *一、 电介质的电结构 一 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 不存在固有分子电偶极矩。 不存在固有分子电偶极矩。
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。
电介质物理基础孙目珍版完整的课后习
电介质物理基础孙目珍版完整的课后习————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：第一章 电介质的极化1.什么是电介质的极化？表征介质极化的宏观参数是什么？ 若两平行板之间充满均匀的电介质，在外电场作用下，电介质的内部将感应出偶极矩，在与外电场垂直的电介质表面上出现与极板上电荷反号的极化电荷，即束缚电荷σˊ。
这种在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质极化。
为了计及电介质极化对电容器容量变化的影响，我们定义电容器充以电介质时的电容量C 与真空时的电容量C0的比值为该电介质的介电系数，即0rC C=ε，它是一个大于1、无量纲的常数，是综合反映电介质极化行为的宏观物理量。
2.什么叫退极化电场？如何用一个极化强度P 表示一个相对介电常数为r ε的平行板介质电容器的退极化电场、平均宏观电场、电容器极板上充电电荷产生的电场。
电介质极化以后，电介质表面的极化电荷将削弱极板上的自由电荷所形成的电场，所以，由极化电荷产生的场强被称为退极化电场。
退极化电场：00εεσPE d -='-= 平行宏观电场：)1(0-=r PE εε充电电荷产生的电场：)1()1(0000000-=+-=+===+=r r r d PP P P E D E E E εεεεεεεεεεσ 3.氧离子的半径为m 101032.1-⨯，计算氧原子的电子位移极化率 按式304r πεα=代入相应的数据进行计算。
240310121056.2)1032.1()1085.8(14.34m F •⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯=---α4.在标准状态下，氖的电子位移极化率为2101043.0m F •⨯-。
试求出氖的相对介电常数。
单位体积粒子数253231073.24.221010023.6⨯=⨯⨯=N e r N αεε=-)1(0 12402501085.81043.01073.211--⨯⨯⨯⨯+=+=∴εαεer N5.试写出洛伦兹有效电场的表达式。
电介质的极化课件
§2-1 电介质的分类
2、极性电介质 ➢极性分子：无外电场作用时，分子的正负电荷中心不重合， 即分子具有固有偶极矩，称这类分子为极性分子。例如H2O。 ➢由极性分子构成的电介质称为极性电介质。根据分子固有偶 极矩的大小，极性分子又分为三种： 弱极性电介质：μ0 ≤ 0.5 D
强极性电介质：μ0 ≥ 1.5 D
3、空间电荷极化（界面极化）
➢ 对于结构非均匀的电介质，一些在有限距离内可移动的电荷，积累在晶界 或者相界处构成的极化。
p
非极性电介质的极化
-12-
界面处的空间电荷极化
§2-2 电介质的极化
4、极化强度
➢ 极化就是电介质在电场作用下，内部出现宏观偶极矩的现象。为了描述极
化的程度，可以用单位体积的介质中偶极矩总和来表示。
电学大师 法拉第
-3-
§2-1 电介质的分类
电偶极子—描述电介质的基本电学模型
➢由相距一定距离的等量异号电荷，构成的带电体系称为， 电偶极子。
➢电电荷偶q 极与矩l：的从乘负积电定荷义到为正电电偶荷极作矩一。矢用量l 表，示则：电偶极ql子的 ➢单位：C • m或D (德拜) 。是矢量，方向由负电荷指向正
弱极性电介质,μ0≤0.5D
极性电介质:
无外电场作用时，由正负 电荷中心不重合，具有固
中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
有偶极矩的分子组成
化学结构不对称，介电常数εr=2.6~80, 体电阻率低于非极性电介质
强极性电介质,μ0≥1.5D
石英，云母，金红石型离子晶体 离子型电介质: 通常由正负离子组成 玻璃、陶瓷
p
-7-
§2-1 电介质的分类
电介质的极化
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。
1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。
2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。
离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。
离子极化能对金属化合物性质产生影响。
3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。
4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
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2．洛伦兹在计算有效电场时采用了什么样的计算模型？（掌握）
适当的长度为半径，在介质中作一球。 球微观上（相对于极化粒子）足够大，宏 观上（相对于极板间距）足够小 球外分子（原子）对中心的作用，只具长 程性质，可作连续介质处理。 而球内其他分子（原子）对中心的作用， 则带有短程性，必须考虑介质的具体结构。
1 电介质极化
1.0 本章概要 1.1 真空中的电场 1.2 电介质的极化和介电系数 1.3 洛伦兹有效电场和克劳斯-莫索蹄方程 1.4 极性液体电介质的翁沙格有效电场 1.5 电介质极化的机理 1.6 电介质的介电系数及其温度系数 1.7 离子晶体电介质中的极化
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1.0 本章概要
dV gradV V n dn 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
1 divE E lim E dS S Vk 0 V k k
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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） （1）试计算点电荷电场中任意一点（距离点电荷r）的电 势。（掌握） q Vp 4 0 r （2）试计算点电荷系电场中任意一点的电势。（掌握）
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Static electric field：
静止电荷产生的电场叫做静电场，又叫做库仑场。 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 产生的场强的矢量和。（场强叠加原理）
Electric Field基本性质：
（5）极化强度与宏观场强的关系 P 0 (r 1)E 0E
（6）极化强度与有效电场的关系 （7）克劳修斯方程
Ee 0 N E
P N N Ee
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1.3 洛伦兹有效电场和克劳修斯-莫索缔方程
1．什么是有效电场？为何要讨论研究有效 电场？（掌握） 2．洛伦兹在计算有效电场时采用了什么样 的计算模型？（掌握） 3．洛伦兹有效电场由哪三部分构成？各部 分是如何分析计算的？（掌握） 4．什么是克劳斯-莫索蹄方程？它的使用条 件是什么？（掌握）
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1．什么是有效电场？为何要讨论研究有效电场？（掌握）
有效电场 是指作用在某一极化粒子上的局部电场。 是除了被极化的该点的粒子之外所有外部自由电 荷和极化偶极子在该点所产生的电场。 介电系数的预测是电介质极化研究的根本目标
Ee 0 N E
由克劳修斯方程，必须首先预测出有效电场与宏 观外场的关系，再进一步从微观结构预测极化特 性（极化率），方可实现目标 返 回
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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） 2．描述电介质极化行为的参量主要有哪些？ 这些参量是如何定义的？（掌握） 3．描述极化过程的宏观参数有哪些内在联 系？什么是克劳修斯方程？它们是如何导 出的？（掌握）
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1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电场？（掌握）
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5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握）
电感强度（电位移）概念：
电场中任意一点的电感强度在数值上等于感应板置于 该点感应的最大电荷密度，方向与该点的场强方向相 同。 D 0 r E 与产生电场的电荷的大小及分布状况有关，与电场所 在电介质无关 单位场强（静电场中）所产生的电位移，一般地介电 常数仅仅是电介质结构种类和状态的函数，是物质的 物性参数之一
C r C0
极化强度
有效电场
在外电场作用下单位体积所产生的感应偶极矩的矢 量和 P lim
作用在极化粒子上的局部电场，是除了自身极化粒 子外空间上所有自由电荷和偶极子在该点产生的电 场。 作用在极化粒子上的单位有效电场所产生的偶极矩， 通常只与电介质材料极化粒子及其状态相关，直接 从微观上描述了电介质材料对极化过程的影响。 与相对介电常数类似，表示了电介质材料对电容量 的宏观影响
自由电荷：
在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷 叫做自由电荷。 如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距 离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚 电荷。 在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上 显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出 现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电 荷。
该定律是由法国工程师物理学家库仑（1736-1806）于 1785年所发现。 该定律是人类研究电现象的第一个定量化的规律，是 电学尤其是静电学的核心基础，当然也是电介质物理 学的核心基础。
科学意义：
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2．什么叫电场、静电场、电场强度及电力线？电场有哪些基本 性质？（掌握)
Electric field： 电荷或变化磁场周围空间里存在的一种特殊形态的物 质。其基本特性是静止电荷置于电场中将受到作用力。 通常电场性质可通过电场强度E进行定量描述，也可通 过电力线形象直观的描述 Electric field intensity： 置于电场中某点的一个试验电荷（体积和电荷量都充 分小）不会改变原来的电荷分布，它所受的力与它的 电荷量的比值是一个与试验电荷无关而仅取决于电场 该点性质的量，这个比值描述了电场该点的性质，称 为电场强度。电场强度是个矢量。 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。
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1.0.2 本章内容
本章主要研究电介质的极化机制及极化规 律，全章及学时分布如下： 1． 1 真空中的静电场 4学时 1．2 电介质的极化和介电系数（ 2 学时） 1． 3 洛伦兹有效电场（4学时） 1． 4 翁沙格有效电场 （2学时） 1． 5 电介质极化机理（4学时） 1． 6 介电系数 （2学时） 1． 7 离子晶体极化（2学时）
描述外电场参数：
描述电介质材料物性参数：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
描述极化结果参数：
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（1）极间电压与电场关系
V Ed
（2）宏观场强与自由电荷场强、退极化电场关系 E E0 Ed （3）表面束缚电荷与极化强度之间的关系 P cos （4）表面束缚电荷密度与宏观场强的关系 0 (r 1)E ( 0 )E
电场的基本概念和规律； 电介质极化基本概念； 有效电场； 电介质极化机理
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1.0.5 本章难点
有效电场的概念
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1.0.6 本章内容
1-18 1-19 1-20 1-21 1-22
1-23
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1.1 真空中的电场
1．什么是库仑定律？（掌握） 2．什么叫电场、静电场、电场强度及电力线？电 场有哪些基本性质？（掌握) 3．什么叫高斯定理？怎样运用高斯定理分析解决 电场强度的计算问题？（掌握） 4．什么叫电偶极子及其电矩？（掌握） 5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握） 6．什么叫电势？如何分析计算典型电场中的电势？ （掌握）
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3．什么叫高斯定理？怎样运用高斯定理分析解决电场强度的计 算问题？（掌握）
电场强度通量的概念： 高斯定理物理语言表述：
1 高斯定理数学表述： E ds
高斯定理的证明： 高斯定理的应用：
对任意封闭曲面的电场强度通量正比于该封闭曲面内电荷的代数 和
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1．什么是库仑定律？（掌握）
物理语言表述：
在真空中， 两个点电荷之间的相互作用力的方向沿着 这两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸， 作用力的大小与电荷量的乘积成正比，而与这两个点 电荷之间的距离平方成反比
q1 q 2 1 q 1q 2 数学语言表述： F r21 r21 21 F12 k 3 3 r 4 0 r 发现时间和发现人：
s V
（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 2 E divE V
0
拉普拉斯方程
2V 0
1 2 V 1 V 1 2V (r ) 2 (sin ) 2 2 2 r r r r sin r sin 2
电位移的基本特性：
介电常数
真空中介电常数
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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 Wa Va E dL a q0 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
束缚电荷：
极化与极化电荷
退极化电场
这些极化电荷将改变原来的电场，由极化电荷所产生 的电场称退极化电场
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2．描述电介质极化行为的参量主要有哪些？这些参量是如何定义的？（掌 握）
相对介电常数：
在相同外加电压下，电容器在电介质中的电容量与 真空中的电容量之比。 描述了电介质对电容器的电容量影响 只与电介质材料和状态有关，与外加电场无关。
Vp