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1、目 录引言 .11.电介质的极化与一般性质 .12 .恒定电场引起的极化 .32.1 无极分子的极化 .32.2 有极分子的极化 .43 .交变电 场引起的极化 .54.电介质 的特殊效应 .10结 论 .11参 考文献 .12致 谢 .13关于电介质的微观解释摘要：本文主要介绍的就是有关电介质的极化与相关性质，在介绍此内容时，首先介绍电介质的极化、电介质的一般性质，其次还解释恒定电场引起的极化并着重说明了电介质的极化类型（有机分子和无机分子） 、用 Langevin-debye公式解释极性分子的极化及交变电场情况下对电介质的极化进行了进一步的研究，后又说明电介质的特殊效应及用经典理论来说明极
2、化的一般规律等内容。关键词： 电介质 极化性质 极化率 极化强度 电介质的损耗新疆师范大学 2012 届本科毕业生毕业论文（设计）1关于电介质的极化与相关性质引言电场既可以存在于真空之中，也可以存在于实物介质内部。而实物介质是由分子和原子组成的，分子内部又有带正电的原子核与绕核运动的电子。把导体引入静电场时对静电场有很大的影响，而且金属导体能够影响电场的关键原因在于导体内部的自由电子在电场作用下重新分布。电介质内部没有自由电子，在静电场中置入电介质后，电场是否就不改变呢？在讨论这一问题前我们就要对电介质的微观结构及其在电场作用下的变化有所认识。本文主要介绍的就是有关电介质的极化与相关性质的问题
3、，在介绍此内容时，首先介绍电介质的极化、电介质的一般性质，其次还要解释恒定电场引起的极化，并且着重说明电介质的极化类型（有机分子和无极分子）、用Langevin-debye 公式解释极性分子的极化，然后解释交变电场引起的极化，最后阐述用经典电磁理论来说明极化的一般规律等内容。1.电介质的极化与一般性质电介质是绝缘介质,它们是不导电的.在没有外电场作用时，电介质内部正、负电荷激发的电场互相抵消，宏观上不表现出电性，但是在外电场的作用下,电介 质 显 示 电 性 的 现 象 。 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
4、 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 运 动 （ 微 观 运 动 ） ， 这 种 电 荷 叫 做 束 缚 电 荷 。 理 想 的 绝缘 介 质 内 部 没 有 自 由 电 荷 ， 实 际 的 电 介 质 内 部 总 是 存 在 少 量 自 由 电 荷 ， 因 此它 们 是 造 成 电 介 质 漏 电 的 原 因 。 一 般 情 形 下 ， 未 经 电 场 作 用 的 电 介 质 内 部 的 正 负 束 缚 电 荷 平 均 说 来 处 处抵 消 ， 宏 观 上 并 不 显 示 电 性 。 在 外 电
5、 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 。 这 些 极 化 电 荷 改 变 原 来 的 电 场 。 充满 电 介 质 的 电 容 器 比 真 空 电 容 器 的 电 容 大 就 是 由 于 电 介 质 的 极 化 作 用 。电介质包括气态、液态、固态等范围广泛的物质。固 态 电 介 质 包 括 晶 态 电介 质 和 非 晶 态 电 介 质 两 大 类 ， 后 者 包 括 玻
6、璃 、 树 脂 和 高 分 子 聚 合 物 等 ， 是 良好 的 绝 缘 材 料 。 在电场作用下，这类物质中原子或分子的内部结构会发生某种变化，从而产生宏观上不等于零的电偶极矩，并出现束缚电荷（极化电荷） ，这种现象称为电极化。凡是能产生极化现象的物质，统称为电介质。电介质的电新疆师范大学 2012 届本科毕业生毕业论文（设计）2阻率一般都很高，所以习惯上也称为绝缘体。但有些物质的电阻率并不高，不能 称 为 绝 缘 体 ， 但 因在电场作用下也能发生极化过程，也归入电介质一类。在没有外电场作用时，电介质内部正，负电荷激发的电场互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下，电介质的原子或分子
7、内部的电结构大体上会发生如下三种类型的变化： （1）原 子 核 外 的 电 子 云 分 布 产 生 畸 变 ， 从而 产 生 不 等 于 零 的 电 偶 极 矩 ， 称 为 畸 变 极 化 ； （2）原 来 正 、 负 电 中 心 重合 的 分 子 ， 在 外 电 场 作 用 下 正 、 负 电 中 心 彼 此 分 离 ， 称 为 位 移 极 化 ； 无机分子中出现位移极化，位移极化与温度无关。所谓的无机分子指的是分子中电子对称地分布在正电中心的四周，分子的正电中心与负电中心重合，分子固有电偶极矩等于零的分子。 （3）具 有 固 有 电 偶 极 矩 的 分 子 原 来 的 取 向 是 混 乱
8、的 ，宏 观 上 电 偶 极 矩 总 和 等 于 零 ， 在 外 电 场 作 用 下 ， 各 个 电 偶 极 子 趋 向 于 一 致 的排 列 ， 从 而 宏 观 电 偶 极 矩 不 等 于 零 ， 称 为 转 向 极 化 。 有机分子中出现的主要是转向极化，转向极化过称不仅与电场有关还与分子的热运动有关，故转向极化的结果依赖于温度。而所谓的有机分子指的是分子的正电中心不重合，分子固有点偶极矩不为零的分子称为极性分子。电 介 质 极 化 时 对 于 各 向 同 性 电 介质 而 言 ， 电 极 化 强 度 矢 量 与 总 电 场 强 度 的 关 系 为 ， 为 真 空rrre00电 容 率 ，
9、 为 电 极 化 率 ， 以 表 示 相 对 电 容 率 ， 它 与 电 极 化 率 间 的 关 系er为 。 电 极 化 率 或 电 容 率 与 外 电 场 的 频 率 有 关 。 对 静 电 场 或 极 低 频 电r1场 ， 上 述 3 种 极 化 类 型 都 参 与 极 化 过 程 ， 一 定 电 介 质 的 电 容 率 为 常 量 。 电场 频 率 增 加 时 ， 转 向 极 化 逐 渐 跟 不 上 外 电 场 的 变 化 ， 电 容 率 变 为 复 数 ， 虚 部的 出 现 标 志 着 电 场 能 量 的 损 耗 ， 称 为 介 电 损 耗 。 频 率 进 一 步 增 加 时 ， 转
10、 向 极化 失 去 作 用 ， 电 容 率 减 小 。 在 红 外 线 波 段 ， 电 介 质 正 、 负 电 中 心 的 固 有 振 动频 率 往 往 与 外 场 频 率 一 致 ， 从 而 产 生 共 振 ， 表 现 为 电 介 质 对 红 外 线 的 强 烈 吸收 。 在 吸 收 区 ， 电 容 率 的 实 部 和 虚 部 均 随 频 率 发 生 大 起 大 落 的 变 化 。 在 可 见光 波 段 ， 位 移 极 化 也 失 去 作 用 ， 只 有 畸 变 极 化 起 作 用 。 光 频 区 域 的 电 容 率 实部 进 一 步 减 小 ， 它 对 应 电 介 质 的 折 射 率 ，
11、虚 部 决 定 了 对 光 波 的 吸 收 。 在 强 电场 （ 如 激 光 ） 作 用 下 ， 极 化 强 度 与 电 场 强 度 不 再 有 线 性 关 系 ， 这 使 电 介r质 表 现 出 种 种 非 线 性 效 应 。 各 向 异 性 晶 体 的 电 容 率 不 能 简 单 地 用 一 个 数 来 表示 ， 需 用 张 量 表 示 。 电介质的许多性质，如电容率(介电常量)、折射率、对光的色散和吸收、介质损耗等，都与极化有关。此外，一些电介质所具有的某种特殊性质，如压电性、电致伸缩、热电效应、铁电性等也都与极化过程有关。在 Lorentz（洛伦慈：1853-1928）创立了电子论以后
12、，用经典电磁理论来说明极化的一般规律，并对与此有关的一系列物质性质做出理论解释就成为了新疆师范大学 2012 届本科毕业生毕业论文（设计）3可能。由于电介质的极化不仅需要考虑单个分子在电场作用下的变化，而且还涉及大量分子的集体行为，因而，把电磁理论与统计规律相结合就成为不可避免的了。实际上，这也正是经典电子论的重大成就之一。下面对电介质的极化进行定量分析2 .恒定电场引起的极化2.1 无极分子的极化无机分子的固有电偶极矩为零，在电场作用下电子产生位移，每个分子的感应电偶极矩为efprv（1） 式中 为分子的极化率 。 对于各项同性的均匀介质，在感应电偶极矩为球对称的条件下，式中的有效作用场 为
13、efrr34ef（2）（2）式中 为宏观电场强度， 为介质的极化强度，设电介质中单位体积的分rr子数为 ，则极化强度为(3) )34(rvp故 rr341介质极化率为341e因电容率（介电常量） 与极化率 的关系为e4故有（4）321所遵守的（4）式称为 Lorentz-Lorentz 公式。利用折射率 n 与电容率 的新疆师范大学 2012 届本科毕业生毕业论文（设计）4Maxewll 关系 ，可将（4）式改写为n（5）3421n因为（4）式是在恒定电场条件下的结果，因而公式中的电容率或折射率是静态下的值。对于实际的光波，电场是交变场，电容率或折射率与频率有关（色散现象） ，这就需要对极化过
14、程重新进行讨论。2.2 有极分子的极化假定每个分子都是刚性的电偶极子，其电偶极距为 .在无外电场作用时，0pv各个分子的 的取向由于热运动而杂乱无章，介质在宏观上不表现出电性。在0pv恒定电场 的作用下，通过分子之间的热碰撞，各个将 转向能量较小的方向， 0在热平衡状态下，全部 的取向遵循 Maxell-Boltzmann 的 统 计 分 布 侓 。 据0此 ， 可 计 算 极 性 分 子 的 极 化 率，计算方法与顺磁性的计算方法完全相同，只需简单地用电偶极矩 代替分子磁矩 ,用电场强度 代替磁场强度 即可。opv0vHv于是，得出介质的极化强度为（6）320p因而介质的极化率为320pe考虑到在任何情况下都存在感应电偶极距，即极化必定还包括由（3）式给出的贡献。即极化强度 应包括转向极化和位移极化（感应极化）两者的贡献。在v忽略宏观电场 与有效电场 之间的差别后（即以 代替 ） ，有ef vef)3(20p极化率为)3(20pe上式称为 Langevin-Debye 公式。根据电容率 与 极 化 率 的关系，介质的电e容率 e1新疆师范大学 2012 届本科毕业生毕业论文（设计）5（7）)3(420p通过上式，可具体地看到转向极化与温度的关系。实际上，转向极化同时受到电场作用的有序性和热运动的无序性这两种对立因素的制约。温度
