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1、From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)7.3.1离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。pa与有效电场成正比，pa=aE，a称为离子极化率。电子极化和离子极化都都同温度无关。7.3 其他极化机制Fig7.9FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)(a)
2、 A NaCl chain in the NaCl crystal without an applied field. Average or net dipole moment per ion is zero. (b) In the presence of an applied field the ions become slightly displaced which leads to a net average dipole moment per ion.From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition,
3、S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)和电子极化相似，原子的正负电荷中心被分开，也如同连和电子极化相似，原子的正负电荷中心被分开，也如同连在弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同在弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同样也存在一个固有振动频率，被称为离子极化共振频率。样也存在一个固有振动频率，被称为离子极化共振频率。补充补充p598p598的评述的评述固固有有电电矩矩的的取取向向极极化化：某某些些电电介介质质分分子子由由于于结结构构上上的的不不对对称称性性而而具具有有固固有有电电矩矩p p。在在无无外外电电场场时时，由由于于热热运运动动，这这些些分分
4、子子的的取取向向完完全全是是无无规规的的，电电介介质质在在宏宏观观上上不不显显示示电电性性。在在外外电电场场的的作作用用下下，每每个个分分子子的的电电矩矩受受到到电电场场的的力力矩矩作作用用，趋趋于于同同外外场场平平行行，即即趋趋于于有有序序化化；另另一一方方面面热热运运动动使使电电矩矩趋趋于于无无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。7.3.2 7.3.2 取向极化取向极化6 施施加加电电场场时时，偶偶极极矩矩有有沿沿电电场场方方向向定定向向的的趋趋势势。但但由由于于热热运运动动的的作作用用，并并非非所所有有分分子子偶偶极极矩矩都
5、都能能沿沿着着电电场场方方向向定定向向。实实际际上上，p p 的的方方向向仍仍然然是是混混乱乱的的，但但沿沿电电场场方方向向分分布布几几率率较较大大，因因而而，出出现现宏宏观观剩剩余余电电矩矩。这这种种极极化化方方式式称称为为偶极转向极化。偶极转向极化。极性介质的转向极化极性介质的转向极化3. 3. 极性介质的转向极化极性介质的转向极化极性分子特点：极性分子特点： 每一分子具有一定的电偶极矩每一分子具有一定的电偶极矩p p。 无无外外电电场场作作用用时时，空空间间各各个个方方向向具具有有相同的分布几率，平均宏观电矩为零。相同的分布几率，平均宏观电矩为零。Fig7.108对于极性介质分子偶极矩相
6、互联系较弱的情况，偶极对于极性介质分子偶极矩相互联系较弱的情况，偶极矩可看作是处于可以自由运动状态，此时阻止偶极矩矩可看作是处于可以自由运动状态，此时阻止偶极矩定向的因素是热运动。这种情况在定向的因素是热运动。这种情况在极性气体极性气体、液体液体和和固体固体中都可能存在。中都可能存在。极性介质的转向极化极性介质的转向极化 热转向极化热转向极化从分子热运动的玻尔兹曼能量分布出发，可得到偶极从分子热运动的玻尔兹曼能量分布出发，可得到偶极矩在电场方向分量的平均值随内电场的变化：矩在电场方向分量的平均值随内电场的变化：则，分子热转向极化率：则，分子热转向极化率：适用于极性气体，被非极性液体高度稀释的极
7、性液体。 千克分子极化：N0阿佛加德罗常数，值为 6.023x1028 (1/千克分子)光频下r = n2，可得洛仑兹-洛仑斯方程：千克分子折射： 以上两个方程是由莫索缔内电场得到，故其适用范围与莫索缔内电场相同。10极性气体情况下，气体密度很小，分子之间的距离较大，极性气体情况下，气体密度很小，分子之间的距离较大，相邻分子之间的影响可以忽略。近似的认为相邻分子之间的影响可以忽略。近似的认为E E2 2=0=0，克，克- -莫方莫方程有效。分子极化率应包含电子位移极化和热转向极化。程有效。分子极化率应包含电子位移极化和热转向极化。 在极性气体介质上施加电场（在极性气体介质上施加电场（E10E1
8、05 5伏伏/ /米）的情况下，得到米）的情况下，得到极性介质的转向极化极性介质的转向极化与热运动有关的极化方式建立需较长的时间与热运动有关的极化方式建立需较长的时间1010-2-2-10-10-12-12秒秒 德拜方程德拜方程界面极化：由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，界面极化：由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质电荷层，
9、从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质的介电性能。的介电性能。 Fig7.11FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(McGraw-Hill,2005)7.3.4 7.3.4 总极化总极化电电子子位位移移极极化化: :介介质质中中的的原原子子, ,分分子子或或离离子子中中的的电电子子在在外外电电场场的的作作用用下下, ,使使电电子子轨轨道道相相对对于于原原子子核核发发生生位位移移, ,从从而而产产生生感感应应电矩的过程电矩的过程. .离离子子位位移移极极化化: :在在由由离离子子结结合合的的
10、电电介介质质内内, ,外外电电场场的的作作用用使使正正负负离离子子产产生生微微小小位位移移, ,平平均均地地具具有有了了电电场场方方向向的的偶偶极极矩矩, ,这这种种极化形式称为离子位移极化极化形式称为离子位移极化. .转转向向极极化化: :又又称称取取向向极极化化, ,对对于于偶偶极极性性分分子子, ,在在无无外外电电场场作作用用下下, ,偶偶极极性性分分子子处处于于热热运运动动状状态态, ,对对外外不不具具有有偶偶极极矩矩. .外外电电场场作作用用下下, ,偶偶极极性性分分子子在在电电场场方方向向取取向向概概率率增增加加, ,对对外外平平均均具具有有了电场方向的偶极矩了电场方向的偶极矩,
11、,称为转向极性称为转向极性. .空空间间电电荷荷极极化化: :介介质质内内的的自自由由正正负负离离子子在在电电场场作作用用下下移移动动, ,改改变分布状况变分布状况, ,在电极附近形成空间电荷在电极附近形成空间电荷, ,称为空间电荷极化称为空间电荷极化. .2. 2. 电介质的介电常数电介质的介电常数 电介质的介电常数电介质的介电常数的特性的特性电工术语上称作介电常数电工术语上称作介电常数和相对介电常和相对介电常数数r r并不是常数并不是常数随温度、频率而变化随温度、频率而变化是一虚数，分实部和虚部是一虚数，分实部和虚部通常使用的是实数部分通常使用的是实数部分气体电介质的介气体电介质的介电常数
12、电常数: :气体分子气体分子间距离很大间距离很大, ,密度密度很小很小, ,气体的极化气体的极化率很低率很低, ,因此气体因此气体的相对介电常数的相对介电常数都接近都接近1.1.气体介电常数随气体介电常数随温度升高而减小温度升高而减小, ,随压力增大而变随压力增大而变大大, ,但是变化很小但是变化很小. .液体电介质的介电常数,分为:非极性和弱极性电介质,相对介电常数较小:1.82.8偶极性电介质,相对介电常数较大:3 80固体电介质的介电常数,分为:非极性和弱极性固体电介质,只有电子式极化和离子式极化,相对介电常数较小:2.0 2.7固体电介质固体电介质的介电常数的介电常数, ,分为分为:
13、:偶极性固体偶极性固体电介质电介质. .相相对介电常数对介电常数较大较大:3 :3 6 6离子性电介离子性电介质质, ,相对介相对介电常数较大电常数较大:5 :5 8 83. 3. 讨论极化的意义讨论极化的意义 选择绝缘：在实际选择绝缘时，除了考虑电气强度外，还应考虑介电常数r r。对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择r r较大的介质。对于电缆，为减小电容电流，要选择r r较小 的介质多层介质的合理配合：对于多层介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其r r成反比，要注意选择r r，使各层介质的电场分布较均匀，从而达到绝缘的合理应用研究介质损耗的理论依据：极化形成和介质损失有关，要掌握不同极化类型对介质损失的影响电气预防性试验：项目的理论根据其他：如驻极体、铁电体、压电体、热电体等新型材料的研发
