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電介質(zhì)的極化 - 電介質(zhì)的極化

 

電介質(zhì)的極化 - 正文

　　外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)顯示電性的現(xiàn)象。在電場(chǎng)的影響下，物質(zhì)中含有可移動(dòng)宏觀距離的電荷叫做自由電荷；如果電荷被緊密地束縛在局域位置上，不能作宏觀距離移動(dòng)，只能在原子范圍內(nèi)活動(dòng)，這種電荷叫做束縛電荷。理想的絕緣介質(zhì)內(nèi)部沒(méi)有自由電荷，實(shí)際的電介質(zhì)內(nèi)部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質(zhì)漏電的原因。
　　一般情形下，未經(jīng)電場(chǎng)作用的電介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)束縛電荷平均說(shuō)來(lái)處處抵消，宏觀上并不顯示電性。在外電場(chǎng)的作用下，束縛電荷的局部移動(dòng)導(dǎo)致宏觀上顯示出電性,在電介質(zhì)的表面和內(nèi)部不均勻的地方出現(xiàn)電荷,這種現(xiàn)象稱為極化，出現(xiàn)的電荷稱為極化電荷。這些極化電荷改變?cè)瓉?lái)的電場(chǎng)。充滿電介質(zhì)的電容器比真空電容器的電容大就是由于電介質(zhì)的極化作用。
　　電介質(zhì)的極化機(jī)制 �、匐娮訕O化，是在電場(chǎng)作用下原子核與負(fù)電子云之間相對(duì)位移，它們的等效中心不再重合而分開(kāi)一定的距離l形成電偶極矩pe＝el(l由負(fù)電中心指向正電中心,e是電荷量,見(jiàn)電偶極子)。當(dāng)電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),電偶極矩pe同有效電場(chǎng)成正比,pe=αeE,式中αe稱為電子極化率。②離子極化又稱為原子極化，是在正負(fù)離子組成的物質(zhì)中異極性離子沿電場(chǎng)向相反方向位移形成電偶極矩pa。pa與有效電場(chǎng)成正比,pa=αaE，αa稱為離子極化率，這兩種極化都同溫度無(wú)關(guān)。③固有電矩的取向極化，某些電介質(zhì)分子由于結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱性而具有固有電矩p。在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng),這些分子的取向完全是無(wú)規(guī)的，電介質(zhì)在宏觀上不顯示電性。在外電場(chǎng)的作用下，每個(gè)分子的電矩受到電場(chǎng)的力矩作用,趨于同外場(chǎng)平行,即趨于有序化；另一方面熱運(yùn)動(dòng)使電矩趨于無(wú)序化。在一定的溫度和一定的外電場(chǎng)下，兩者達(dá)到平衡。固有電矩的取向極化也可以引入取向極化率αd描述,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不太大而溫度不太低時(shí),，k是玻耳茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度。這種極化同溫度的關(guān)系密切。④界面極化，由于電介質(zhì)組分的不均勻性以及其他不完整性，例如雜質(zhì)、缺陷的存在等，電介質(zhì)中少量自由電荷停留在俘獲中心或介質(zhì)不均勻的分界面上而不能相互中和，形成空間電荷層，，從而改變空間的電場(chǎng)。從效果上相當(dāng)于增強(qiáng)電介質(zhì)的介電性能。
　　電介質(zhì)的極化是這四種極化機(jī)制的宏觀總效果。
　　克勞修斯－莫索提公式 　在介質(zhì)內(nèi)部，作用于分子或原子的電場(chǎng)不單是外加的宏觀電場(chǎng)E(自由電荷和極化電荷產(chǎn)生的總電場(chǎng)），還應(yīng)包括電介質(zhì)內(nèi)部所有其他分子的電矩p產(chǎn)生的電場(chǎng)。作用于分子或原子的這種電場(chǎng)叫做有效場(chǎng)(或局部場(chǎng))。對(duì)于偶極子的無(wú)規(guī)排列或?qū)τ诩兞⒎疥嚺帕芯w,有效電場(chǎng), P 為電極化強(qiáng)度，稱為洛倫茲有效場(chǎng)。由此可得出關(guān)于電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)εr與分子極化率α的克勞修斯-莫索提公式 ，

式中N 為單位體積內(nèi)的分子數(shù)。對(duì)于非極性分子的電介質(zhì),這一公式與實(shí)驗(yàn)符合得相當(dāng)好,但它不能說(shuō)明強(qiáng)極性分子的行為。實(shí)驗(yàn)上可根據(jù)測(cè)定的εr由此式確定極化率α，對(duì)于弱極性電介質(zhì),可由它確定極性分子的電偶極矩。
　　極化弛豫 　電介質(zhì)的極化是一個(gè)弛豫過(guò)程，從施加電場(chǎng)到達(dá)極化平衡需要一定的時(shí)間，這個(gè)滯后的時(shí)間用弛豫時(shí)間τ 描述。電子極化和離子極化的時(shí)間非常短，而固有電矩的取向極化與熱平衡性質(zhì)有關(guān)，界面極化與電荷的堆積過(guò)程有關(guān)，它們則有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間。極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移D 和場(chǎng)強(qiáng)E具有一定的位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個(gè)原因，研究極化弛豫可獲得關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)。
　　自發(fā)極化 　普通的電介質(zhì)當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)不太大時(shí),P同E成正比關(guān)系，場(chǎng)強(qiáng)回到零時(shí)，極化也為零。然而也存在一些電介質(zhì)在一定的溫度下，當(dāng)外電場(chǎng)撤離后仍有一定的極化，稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化不能被外電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的電介質(zhì)稱為熱電體，自發(fā)極化可被外電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的電介質(zhì)稱為鐵電體。在鐵電體中極化強(qiáng)度同電場(chǎng)的關(guān)系構(gòu)成電滯回線。電滯回線表明鐵電體中存在電疇，它是一些具有正負(fù)極性的自發(fā)極化區(qū)。鐵電體中一般包含若干個(gè)電疇，相鄰電疇的邊界稱為疇壁。對(duì)于單晶體的鐵電體只有在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)下，電疇都沿外電場(chǎng)取向而成為單疇結(jié)構(gòu)。鐵電體也存在一臨界溫度（稱為鐵電居里點(diǎn)）。當(dāng)鐵電體的溫度高于此溫度時(shí)，鐵電性消失，鐵電相成為順電相。
　　極化災(zāi)變 　是指在某些臨界條件下，極化變得很大，此時(shí)由極化引起的有效場(chǎng)比晶體中作用在離子上的彈性恢復(fù)力增加得更快，導(dǎo)致離子從平衡位置移動(dòng)的不對(duì)稱性，引起點(diǎn)陣的畸變，位移型鐵電性的出現(xiàn)就與一定溫度下點(diǎn)陣對(duì)稱性的降低有關(guān)。極化災(zāi)變是引起鐵電性的原因。

 

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