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1、电偶极子：两个大小相等的正、负电荷（+q和-q），相距为L, L较讨论中所涉及到的距离 小得多。这一电荷系统就称为电偶极子。轴线场强中垂线场强qL4 冗s r 30电量q与矢径L的乘积定义为电矩，电矩是矢量，用卩表示，即U=qL卩的单位是Cm。 电介质极化：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的极化。束缚电荷（极化电荷在与外电场垂直的电介质表面上出现的与极板上电荷反号的电荷。束缚 电荷面密度记为G退极化电场Ed：由极化电荷所产生的场强。E 乞亠so介电系数电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C 0的比值为该电介质的介电系yt/A
2、.数Co它疋个大于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。平行板电容器: 有效电场：实际上引起电介质产生感应偶极矩的电场称为有效电场或者真实电场，用Ee表 示。感应偶极矩与有效电场Ee成正比，即卩=a E*e极化强度P:单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和，即极化强度P的宏观参数:Xs r sE微观参数：N a Ee联系s=s o + Na七提高介电系数1）Nfa f ;3）Ee f 微观参数：1、感应偶极矩R R = qL 2、极化率a :卩=aEe （其物理含义是每单位电场强度的分 子偶极矩。a越大，分子的极化能力越强。单位是卩m2。3、极化强度P （单位体积中电介 质感应偶
3、极矩的矢量和，单位是C/m2 p = Nr则P = NaEe rT= x极化系数，宏观参 数第三节宏观平均场强E是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化粒子形成的偶极矩共同的作用 场强。对于平板介质电容器，满足：电介质连续均匀，介电系数不随电场强度的改变发 生变化。D = s E + P电位移D的一般定义式。有效电场：是指作用在某一极化粒子上的局部电场。它应为极板上的自由电荷以及除这一被 考察的极化粒子以外其他所有的极化粒子形成的偶极矩在该点产生的电场。洛伦兹有效电场的计算模型：电介质被一个假想的空球分成两部分，极化粒子孤立的处在它 的球腔中心。要求：球的半径应比极化粒子的间距大，这样可以视球
4、外介电系数为的电介质为连续均匀的介质，球外极化粒子的影响可以用宏观方法处理；球的半径又必须比两 极板间距小得多，以保证球外电介质中的电场不因空球的存在而发生畸变。所以近似认为球 内球外的电场都是均匀的。e -11=Nae + 23eo洛伦兹有效电场的适用范围：气体电介质、非极性电介质（非极性和弱极性液体电介质、非 极性固体电介质）、高对称性的立方点阵原子、离子晶体。不适用范围：极性液体电介质和固体电介质。Eee + 2E十E K-M方程：e=eo + E十3En2 + 2 P 3e 0弟八节、电子位移极化：在外电场作用下，电子云重心相对于原子核重心发生位移，因而产生 感应偶极矩。这种极化称为电
5、子位移极化。ae = 4加or3结论：（1）在化学元素周期表中，同一族元素的电子位移极化率自上而下地增加。（2）在同 一周期中，元素由左向右，电子位移极化率的变化有两种可能性。其一，随轨道上的电子数 的增加，产生电子位移极化的电子数增加，电子位移极化率也增加；其二，电子轨道半径也 可能减小，电子位移极化率将会下降。（3）离子的电子位移极化率的变化规律与原子的大致 相同，随离子半径及价电子数的增加而增加。（4）由P = Na eEe，当原子或离子半径r 减小时，单位体积内的粒子数N将增加，P也较大。（5）电子位移极化率与温度无关，温度的 改变只影响电介质组成粒子的热运动，对原子或离子的半径影响不
6、大。（6）电子位移极化 完成的时间非常短，在10-14 - 10-15 s之间。（7）电子位移极化发生在所有的介质中。、离子位移极化：在离子晶体中，除存在电子位移极化以外，在电场作用下，还会发生正、负离子沿相反方向位移形成的极化叫离子位移极化。aaa 30.58( n-1)结论：离子位移极化完成的时间约为10-12 -10-13 S,因此，在交变电场中，电场频率低于红外光频率时，离子位移极化便可以进行。离子位移极化率与电子位移极化率有相同的 数量级，约为10-40Fm2。随着温度升高，离子间的距离增大，它们之间的相互作用减弱， 也就是弹性联系系数K变小，所以离子位移极化率随温度升高而增加，但增
7、加很小。离子 位移极化只发生在离子键构成的晶体，如Ti02、CaTiO3等，或者陶瓷电介质中的结晶相内， 而不会发生于气体或液体之中。三、偶极子转向极化：在外电场作用下，因极性电介质分子的固有偶极矩沿电场方向的转向卩o 2而产生的极化，称为偶极子的转向极化。ad二 结论：偶极子的转向极化建立的时间约为10-2-10-6s或更长，所以在不高的频率乃至工频 的交变电场中，就可能发生极化跟不上电场变化的情况：出现介电系数减小，介质损耗角正 切增大。偶极子的转向极化存在于极性电介质中。偶极子转向极化率与温度有关，温度 升高，ad下降。四、热离子松弛极化：在电介质内，弱联系的带电质点在电场作用下作定向迁
8、移，使局部离 子过剩，在电介质内部建立起电荷的不对称分布，从而形成电矩。这种由弱系离子（质点）建立起的极化叫作热离子松弛极化。q 2 5 2d =T 12 k T弱系离子：指杂质或缺陷离子。它们能量状态比较高，不那么稳定，容易被激活。强系离子：离子键结构的电介质中，处在晶格结点上的正、负离子。它们能量最低，也最稳 定。“松弛”极化：这是一种与热运动有关的极化形式，当极化完成的时间较长、外加电场的频 率比较高时，极化方向的改变往往滞后于外电场的变化，这种现象称为“松弛”，此种极化 形式就叫“松弛”极化。结论：（1）热离子松弛极化完成的时间在10-2 -10-10 S之间。热离子松弛极化率与温度有
9、关, 温度升高，aT降低。五、空间电荷极化：电介质中的自由电荷载流子（正、负离子或电子）可以被缺陷和不同介 质的分界面所捕获，形成空间电荷的局部积累，使电介质中的电荷分布不均匀，产生宏观电 矩。这种极化称为空间电荷极化或夹层、界面极化。复合电介质在电场作用下的一种主要的 极化形式丫 1 丫 2，积聚正电荷；等于的话不积聚8 1 8 2非极性固体电介质的介电系数：在非极性固体电介质中，只存在电子位移极化。非极性 固体电介质包括：原子晶体，如金刚石；不含极性基团的分子晶体，如晶体硫、萘等；非极 性高分子聚合物，如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。非极性固体电介质属于洛伦兹有效 电场的适用范围，适用K-
10、M方程及L-L方程1 d 8- r8 dTr(8厂 1)(8+ 2)丄 dN38N dTr(8 + 2)2q2 dK+ r N9 8 8 K 2 dTo rq2 dKK 2 dT(8 ”- 1)(8 ” + 2)38当温度升高时，由于电介质的密度减少，使电子位移极化率及离子位移极化率的贡献都减弱， 从而使第一项为负值;但是当温度升高又使离子晶体的弹性联系减弱，离子位移极化加强， 也就是第二项为正值，然而，第一项与第二项相差并不多，这就解释了为什么离子晶体的介 电系数8虽随温度的升高而增加，但却增加得非常慢。例如，氯化钠的为（3.4X10 -4 ）/C,氯化钾的叫为（3.03X 10-4）/C。
11、第二章电介质的损耗电介质的损耗：电介质在外电场的作用下，将一部分的电能转变成热能的物理过程，称为电 介质的损耗。危害：引起线路上的附加衰减，使仪器设备中的元器件发热，工作环境温度上 升，破坏设备的正常工作，甚至损害设备。电导损耗：电介质中一些弱联系的导电载流子在电场作用下作定向漂移，形成传导电流，并 以热的形式耗散掉，我们称之为电导损耗。W = 8 08 roAdE 2 tan 50 rtan 5用能量损耗功率作为描述介质损耗的参数是不方便的，因为W值与外施电压、ro8 8o r材料尺寸等因素有关，不同材料间难以相互比较。而tanS仅取决于材料特性而与材料尺寸、 形状无关，其值可以直接由实验测
12、定。所以通常用tanS而不用W来表征电介质中的介质损 耗。松弛极化损耗：当外电场的频率比较高，如高频或超高频，偶极子转向极化等慢极化形式就 来不及跟上交变电场的周期性的变化，产生松弛现象，致使电介质的P滞后于E,并且随着外 加电场频率的升高，电介质的下降。这一过程将消耗部分能量，而且在高频和超高频中， 这类损耗将起主要作用，甚至比电导损耗还大，这种在交变电场中由慢极化形式引起的损耗 称为松弛损耗（热离子松弛极化、偶极子转向极化、界面极化）谐振损耗（色散与吸收）谐振损耗来源于原子、离子、电子在振动或转动时所产生的共振效应，这种效应发生在红外 到紫外的光频范围。色散介电系数或折射率随频率变化的现象
13、称为色散，因极化的机理不同，色散发生的频率也 不同。电子或原子（离子）的谐振极化在光频范围内的色散现象属于谐振色散，而偶极子转向 等松弛极化在电频范围内的色散称为松弛色散。松弛色散，中间不显最大值，谐振色散则出 现明显的峰值。吸收损耗因数随频率的变化称为吸收，在介电系数发生色散的频率范围内，无论是电子、原 子或离子极化，还是偶极子转向极化等松弛极化，其损耗因数都是明显地变大且出现峰值。/松弛极化强度与时间的关系：Pr（t） = Prm （1 - e - I）稳态后移去电场则P （t） = p e -t t为加上电场以后经历的时间,为松弛极化的时间常 rm数。在充、放电时逐渐增加或逐渐减少的电荷
14、（Q2-Q1）称为介质的极化电荷或者吸收电荷。它 是由电介质中的松弛极化产生的，相应的电流就叫作极化电流或者吸收电流，它是随时间而 逐渐衰减的，说明松弛极化是一个逐渐建立的过程，是介质极化松弛的一种现象。第三节电介质在单位时间内所消耗的能量，即在电介质中由电能转变为热能而损失的能量，这一物 理现象称为介质损耗。介质损耗由两部分组成,V 2电导损耗和极化损耗。其中电导损耗为WR -松弛极化损耗:AW = g V 2 r d与频率关系A=Y V 2, P = yE2 tan Sts有充分、足够的时间来完成松弛极 d化并且达到稳定状态，故此时，r达到最大可能值；由于不存在松弛极化滞后电场变化的现 象
15、，所以极化损耗小到可以忽略，介质损耗只有电导损耗；tan由于无功电流趋于零而趋于 无穷大。2、低频区（3 t 1 ）T, r I W T P T tan Si 3、反常弥散区 （WT = 1 附近）r = + r1 + 2t 2故九在WT = 1时有极大值，8 r随3变化最快，即交变电场的变化周期与松弛时间相接近时，松弛极化随电场频率的变化最敏感。W = y A +8 o (8 s -88)A 3V 2dd 1 + w 2t 2在T = 1时有极大值，W随3增加而增加最快。极化损耗的增加使得有功电流增长的速度超过无功电流增长的速随度，所以W随3增加而上升。tan 5 =8 - 8S8 1 + W 2T 28-8以后，极化损耗上升的4.高频区(wt1) 8时介质他频鄴特性8=8 +r8S81 + W 2T 2与温度关系,8 8 8 wt = 丁， tan5出现极大值。tan 5= s 斗当w8max2：8 88S 8速度减慢，无功电流仍然基本上随增
