電介質(zhì)極化

不同電介質(zhì)的極化程度是不一樣的。為了分析電介質(zhì)極化的宏觀效應(yīng)，常引入極化強(qiáng)度P這一物理量來表征電介質(zhì)的極化特性。極化強(qiáng)度是一個(gè)矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強(qiáng)度。

電介質(zhì)極化電子、離子位移極化

1. 電子位移極化在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對于原子核發(fā)生位移，原子中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移。這種極化稱為電子位移極化(也稱電子形變極化)。

2. 離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動(dòng)，相當(dāng)于形成一個(gè)感生偶極矩；也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長，例如堿鹵化物晶體就是如此。根據(jù)經(jīng)典彈性振動(dòng)理論可以估計(jì)出離子位移極化率。

電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化弛豫極化

這種極化機(jī)制也是由外加電場造成的，但與帶電質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。例如，當(dāng)材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子等弛豫質(zhì)點(diǎn)時(shí)，溫度造成的熱運(yùn)動(dòng)使這些質(zhì)點(diǎn)分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時(shí)建立了極化狀態(tài)。這種極化具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，稱為熱弛豫(松弛)極化。極化造成帶電質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)距離可與分子大小相比擬，甚至更大。由于是一種弛豫過程，建立平衡極化時(shí)間約為101~102s，并且由于創(chuàng)建平衡要克服一定的位能，故吸收一定能量。因此，與位移極化不同，弛豫極化是一種非可逆過程。

弛豫極化包括電子弛豫極化、離子弛豫極化、偶極子弛豫極化。它多發(fā)生在聚合物分子、晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)。

電介質(zhì)極化取向極化

沿外場方向取向的偶極子數(shù)大于與外場反向的偶極子數(shù)，因此電介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩，這種極化稱為取向極化。

這是極性電介質(zhì)的一種極化方式。在無外電場時(shí)，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，偶極矩的取向是無序的，所以總的平均偶極矩較小，甚至為0。而組成電介質(zhì)的極性分子在電場作用下，除貢獻(xiàn)電子極化和離子極化外，其固有的電偶極矩沿外電場方向有序化。在這種狀態(tài)下的極性分子的相互作用是一種長程作用。盡管固體中極性分子不能像液態(tài)和氣態(tài)電介質(zhì)中的極性分子那樣自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但取向極化在固態(tài)電介質(zhì)中的貢獻(xiàn)是不能忽略的。對于離子晶體，由于空位的存在，電場可導(dǎo)致離子位置的躍遷，如玻璃中的鈉離子可能以跳躍方式使偶極子趨向有序化。

電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化空間電荷極化

眾所周知，離子多晶體的晶界處存在空間電荷。實(shí)際上不僅晶界處存在空間電荷，其他二維、三維缺陷皆可引入空間電荷，可以說空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質(zhì)中。這些混亂分布的空間電荷，在外電場作用下，趨向于有序化，即空間電荷的正、負(fù)電荷質(zhì)點(diǎn)分別向外電場的負(fù)、正極方向移動(dòng)，從而表現(xiàn)為極化。

宏觀不均勻性，例如夾層、氣泡等也可形成空間電荷極化，因此，這種極化又稱界面極化。由于空間電荷的積聚，可形成很高的與外場方向相反的電場，故而有時(shí)又稱這種極化為高壓式極化。

空問電荷極化隨溫度升高而下降。這是因?yàn)闇囟壬撸x子運(yùn)動(dòng)加劇，離子容易擴(kuò)散，因而空間電荷減小?？臻g電荷極化需要較長時(shí)間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時(shí)，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的極化強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。 2100433B

根據(jù)電介質(zhì)中束縛電荷的分布特征，可將組成電介質(zhì)的分子分為無極分子和有極分子兩類。無極分子是指電介質(zhì)內(nèi)部的束縛電荷分布對稱．正電荷與負(fù)電荷的中心重合，對外產(chǎn)生的合成電場為0，對外不顯電特性的分子；有極分子是指其內(nèi)部束縛電荷分布不對稱，正電荷與負(fù)電荷的中心不重合，本身構(gòu)成一個(gè)電偶極矩(簡稱電矩)的分子，或稱為電偶極子。

無外加電場時(shí)，無極分子電介質(zhì)中的分子沒有電矩。有外加電場時(shí)，每個(gè)無極分子在外電場作用下使得正、負(fù)電荷的中心被拉開微小的距離，電荷的中心產(chǎn)生位移，形成了一個(gè)電偶極子。產(chǎn)生一個(gè)電矩，電矩的方向與外電場的方向平行。外電場越強(qiáng)，分子中電荷的中心位移越大．電介質(zhì)中分子電矩的矢量和也越大。無極分子電介質(zhì)的這種特性稱為位移極化。

無外加電場時(shí)，有極分子電介質(zhì)中的分子具有一個(gè)固有電矩。但是由于電介質(zhì)內(nèi)部分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，使得每個(gè)具有電矩的極性分子分布無規(guī)則，因此電介質(zhì)中所有分子電矩的矢量和為0，對外產(chǎn)生的合成電場為0，對外也不顯電特性。有外加電場時(shí)．每個(gè)有極分子的電矩都受到一個(gè)外電場力矩作用．使得有極分子的電矩在一定程度上轉(zhuǎn)向外電場方向．最終使得電介質(zhì)中分子電矩的矢量和不等于0。外電場越強(qiáng)，分子電矩排列越整齊，電介質(zhì)中分子電矩的矢量和也越大。有極分子電介質(zhì)的這種特性稱為取向極化。外加電場作用下．電介質(zhì)中無極分子的束縛電荷發(fā)生位移產(chǎn)生的位移極化，以及有極分子的固有電矩的取向趨于電場方向而產(chǎn)生的取向極化統(tǒng)稱為電介質(zhì)的極化。

電介質(zhì)的極化使得電介質(zhì)內(nèi)分子的正負(fù)電荷發(fā)生位移或取向變化，電介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)許多按外電場方向排列的電偶極子，這些電偶極子改變了整個(gè)電介質(zhì)原來的電場分布。在電介質(zhì)內(nèi)部可能出現(xiàn)凈余的電荷分布，同時(shí)在電介質(zhì)的表面上有電荷分布，這種電介質(zhì)表面上的電荷稱為極化電荷。極化電荷與導(dǎo)體中的自由電荷不同，不能自由移動(dòng)，因此也稱為束縛電荷。但是極化電荷也是電荷，它與自由電荷一樣是產(chǎn)生電場的源，極化電荷對原電場有影響，會引起整個(gè)電介質(zhì)電場的變化。

極化電荷密度電介質(zhì)在外電場作用下發(fā)生極化后．若電介質(zhì)內(nèi)部極化均勻，則電介質(zhì)內(nèi)的極化電荷等于0，電介質(zhì)內(nèi)不會存在極化電荷的體分布；若電介質(zhì)內(nèi)部極化不均勻，則電介質(zhì)內(nèi)的極化產(chǎn)生的電偶極子的分布也不均勻，電介質(zhì)內(nèi)的極化電荷不等于0，電介質(zhì)內(nèi)部存在極化電荷的體分布。無論電介質(zhì)內(nèi)均勻極化或非均勻極化，電介質(zhì)的表面都會有極化電荷存在。

我們知道，電介質(zhì)極化會產(chǎn)生極化電荷，而極化強(qiáng)度又是表征電介質(zhì)的極化程度的物理量，這二者之問必有一定的關(guān)系。在電介質(zhì)中的任意閉合面S內(nèi)作一面積元dE，其法向單位矢量為P。

無極分子無極分子的位移極化

加上外電場后，在電場力作用下電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心不再重合，形成一個(gè)電偶極子，它們的等效電偶極矩P的方向都沿著電場的方向。

電介質(zhì)的兩個(gè)和外電場強(qiáng)度 相垂直的表面層里，將分別出現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷。這些電荷不能離開介質(zhì)，也不能在電介質(zhì)中自由移動(dòng)，我們稱之為極化電荷。這種在外電場作用下，在電介質(zhì)中出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化。

由于無極分子的極化在于正、負(fù)電荷中心的相對位移，所以常叫做位移極化。

無極分子有極分子的取向極化

無外電場時(shí)，有極分子電偶極矩取向不同，整個(gè)介質(zhì)不帶電。

在外電場中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場方向趨于一致。

有極分子的極化就是等效電偶極子轉(zhuǎn)向外電場的方向，所以叫做取向極化。

一般來說，分子在取向極化的同時(shí)還會產(chǎn)生位移極化，但是，對于有極分子電介質(zhì)來說，在靜電場作用下，取向極化的效應(yīng)比位移極化的效應(yīng)強(qiáng)得多，所以有極分子的極化機(jī)理是取向極化。

上面從分子的結(jié)構(gòu)出發(fā)，說明了兩類不同的電介質(zhì)的極化過程，這兩類電介質(zhì)極化的微觀過程雖然不同，但宏觀的效果卻是相同的，都是在電介質(zhì)的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)了異號的極化電荷，在電介質(zhì)內(nèi)部有沿電場方向的電偶極矩。

極化電流應(yīng)該分為瞬時(shí)位移極化電流和松弛極化電流。

瞬時(shí)位移極化電流

電子位移極化和離子位移極化是“瞬時(shí)位移極化”。電子式極化和離子式極化為位移極化，產(chǎn)生的電流為瞬時(shí)位移極化。

松弛極化電流

偶極子極化和界面極化為松弛極化。松弛極化建立和消失的時(shí)間較長且該過程伴隨能量損耗，常常作為電介質(zhì)極化過程的研究對象，松弛極化損耗與電介質(zhì)老化相關(guān)，因此極化損耗可作為電介質(zhì)老化的評判依據(jù)。

松弛極化電流也叫吸收電流。實(shí)際介質(zhì)的電容器和理想電容器不同，緩慢的松弛極化形成了滯后于電壓并隨時(shí)間衰減的吸收電流，這就是介質(zhì)的松弛現(xiàn)象。吸收電流只有電壓發(fā)生變化時(shí)才存在，它是介質(zhì)在交變電場下引起介質(zhì)損耗的重要來源。

極化電流極化

根據(jù)極化過程的特點(diǎn)，可將電介質(zhì)極化分為電子式極化、離子式極化、偶極子極化和界面極化四類。在直流電場作用下，不同特性的電介質(zhì)內(nèi)部將發(fā)生其中的一種或幾種極化過程。不同的極化類型具有的特點(diǎn)如下：

（1）電子式極化

在沒有外電場的作用時(shí)，原子體系中原子核的正電荷中心和的負(fù)電荷中心重合，不具有偶極矩；當(dāng)加上電場后，電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏移，使得正、負(fù)電荷的中心不再重合，即產(chǎn)生偶極矩。這種由電子軌道發(fā)生位移所形成的極化叫做電子極化。電子式極化發(fā)生在一切電介質(zhì)中。

電子式極化完成的時(shí)間非常短，當(dāng)電場消失后，由于正、負(fù)電荷的相互吸引，使得偶極矩消失而恢復(fù)非極性，整個(gè)過程不損耗能量，即電子式極化是彈性的。另外，電子式極化幾乎不受溫度變化的影響，溫度的改變只影響電介質(zhì)組成粒子的熱運(yùn)動(dòng)，對原子的半徑影響不大。

（2）離子式極化

在離子式結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)中，正、負(fù)離子在電場的作用下沿反方向運(yùn)動(dòng)從而形成的極化過程稱為離子式極化。固體無機(jī)化合物多為離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷材料等。在交變電場中，電場頻率低于紅外光頻率時(shí)，離子式極化便可以進(jìn)行。離子式極化亦為彈性極化，其建立和消除的過程均不損耗能量。由于離子間距隨溫度變化不大，所以離子式極化雖會隨溫度升高而增加，但增加得不大。

（3）偶極子極化

在極性電介質(zhì)中，如蓖麻油、油浸紙、橡膠、纖維素等，電介質(zhì)分子即使在無外加電場時(shí)，正、負(fù)電荷的重心也不重合，因而形成一個(gè)永久的偶極矩。然而由于熱運(yùn)動(dòng)，極性分子的偶極矩取向是任意的，整個(gè)電介質(zhì)對外不呈現(xiàn)極性。在外加電場的作用下，每個(gè)偶極子都受到電場的作用而轉(zhuǎn)向，最終與電場方向平行，對外呈現(xiàn)極性，這種極化就稱為偶極子極化或取向極化。

偶極子極化過程較長，因?yàn)榕紭O子轉(zhuǎn)向過程中要克服分子間的吸引力和摩擦力，極化過程中所消耗的電場能量在復(fù)原時(shí)不可收回，因此需要消耗能量。另外，溫度對偶極子極化的影響很大。溫度較低時(shí)，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)向困難，極化很弱；當(dāng)溫度升高，極化增強(qiáng)；而當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)加劇而阻礙偶極子沿電場方向取向。因此偶極子極化強(qiáng)度隨溫度升高呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。

（4）界面極化

在不均勻電介質(zhì)中，在電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)部自由電荷移動(dòng)并在不均勻界面上積聚，使得自由電荷分布不均勻而產(chǎn)生的偶極矩的現(xiàn)象，稱為界面極化。界面極化又稱為空間電荷極化或麥克斯韋-瓦格納（Maxwell-Wagner）極化。只要復(fù)合界面兩邊的電介質(zhì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率只比不相同就會發(fā)生界面極化現(xiàn)象，這種效應(yīng)稱為麥克斯韋-瓦格納效應(yīng)。界面極化的過程較緩慢，可能持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，極化過程伴隨著能量損耗。在較低電壓頻率下，由于界面上產(chǎn)生電荷堆積，將使得等值電容的增大。

極化電流電流

科學(xué)上把單位時(shí)間里通過導(dǎo)體任一橫截面的電量叫做電流強(qiáng)度，簡稱電流。通常用字母 I表示，它的單位是安培（安德烈·瑪麗·安培），1775年—1836年，法國物理學(xué)家、化學(xué)家，在電磁作用方面的研究成就卓著，對數(shù)學(xué)和物理也有貢獻(xiàn)。電流的國際單位安培即以其姓氏命名），簡稱“安”，符號 “A”，也是指電荷在導(dǎo)體中的定向移動(dòng)。