電介質(zhì)極化基本含義

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，正電荷與負電荷的中心不重合，本身構(gòu)成一個電偶極矩(簡稱電矩)的分子，或稱為電偶極子。

無外加電場時，無極分子電介質(zhì)中的分子沒有電矩。有外加電場時，每個無極分子在外電場作用下使得正、負電荷的中心被拉開微小的距離，電荷的中心產(chǎn)生位移，形成了一個電偶極子。產(chǎn)生一個電矩，電矩的方向與外電場的方向平行。外電場越強，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，有極分子電介質(zhì)中的分子具有一個固有電矩。但是由于電介質(zhì)內(nèi)部分子的無規(guī)則熱運動，使得每個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．每個有極分子的電矩都受到一個外電場力矩作用．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，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，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，會引起整個電介質(zhì)電場的變化。

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)，常引入極化強度P這一物理量來表征電介質(zhì)的極化特性。極化強度是一個矢量，定義單位體積內(nèi)電偶極子電矩的矢量和為極化強度。

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。

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，相當于形成一個感生偶極矩；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)典彈性振動理論可以估計出離子位移極化率。

電介質(zhì)極化電介質(zhì)極化弛豫極化

這種極化機制也是由外加電場造成的，但與帶電質(zhì)點的熱運動狀態(tài)密切相關(guān)。例如，當材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子等弛豫質(zhì)點時，溫度造成的熱運動使這些質(zhì)點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時建立了極化狀態(tài)。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，稱為熱弛豫(松弛)極化。極化造成帶電質(zhì)點的運動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，由于分子的熱運動，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，但取向極化在固態(tài)電介質(zhì)中的貢獻是不能忽略的。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、負電荷質(zhì)點分別向外電場的負、正極方向移動，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。這是因為溫度升高，離子運動加劇，離子容易擴散，因而空間電荷減小?？臻g電荷極化需要較長時間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的極化強度有貢獻。 2100433B

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)分子的正負電荷中心不再重合，形成一個電偶極子，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)的兩個和外電場強度 相垂直的表面層里，將分別出現(xiàn)正電荷和負電荷。這些電荷不能離開介質(zhì)，也不能在電介質(zhì)中自由移動，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，有極分子電偶極矩取向不同，整個介質(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)強得多，所以有極分子的極化機理是取向極化。

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)該分為瞬時位移極化電流和松弛極化電流。

瞬時位移極化電流

電子位移極化和離子位移極化是“瞬時位移極化”。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，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如下：

（1）電子式極化

在沒有外電場的作用時，原子體系中原子核的正電荷中心和的負電荷中心重合，不具有偶極矩；當加上電場后，電子的運動軌道發(fā)生偏移，使得正、負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間非常短，當電場消失后，由于正、負電荷的相互吸引，使得偶極矩消失而恢復(fù)非極性，整個過程不損耗能量，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)組成粒子的熱運動，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、負離子在電場的作用下沿反方向運動從而形成的極化過程稱為離子式極化。固體無機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，離子式極化便可以進行。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，正、負電荷的重心也不重合，因而形成一個永久的偶極矩。然而由于熱運動，極性分子的偶極矩取向是任意的，整個電介質(zhì)對外不呈現(xiàn)極性。在外加電場的作用下，每個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，因為偶極子轉(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，分子間聯(lián)系緊密，偶極子轉(zhuǎn)向困難，極化很弱；當溫度升高，極化增強；而當溫度繼續(xù)升高時，由于分子熱運動加劇而阻礙偶極子沿電場方向取向。因此偶極子極化強度隨溫度升高呈現(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)上把單位時間里通過導(dǎo)體任一橫截面的電量叫做電流強度，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。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。