發(fā)布時間：2016-09-18 15:27

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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

　　外電場作用下，電介質(zhì)顯示電性的現(xiàn)象。在電場的影響下，物質(zhì)中含有可移動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，只能在原子范圍內(nèi)活動，這種電荷叫做束縛電荷。理想的絕緣介質(zhì)內(nèi)部沒有自由電荷，實際的電介質(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)電場作用的電介質(zhì)內(nèi)部的正負束縛電荷平均說來處處抵消，宏觀上并不顯示電性。在外電場的作用下，束縛電荷的局部移動導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。這些極化電荷改變原來的電場。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)的極化機制 �、匐娮訕O化，是在電場作用下原子核與負電子云之間相對位移，它們的等效中心不再重合而分開一定的距離l形成電偶極矩pe＝el(l由負電中心指向正電中心,e是電荷量,見電偶極子)。當電場不太強時,電偶極矩pe同有效電場成正比,pe=αeE,式中αe稱為電子極化率。②離子極化又稱為原子極化，是在正負離子組成的物質(zhì)中異極性離子沿電場向相反方向位移形成電偶極矩pa。pa與有效電場成正比,pa=αaE，αa稱為離子極化率，這兩種極化都同溫度無關(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)上的不對稱性而具有固有電矩p。在無外電場時，由于熱運動,這些分子的取向完全是無規(guī)的，電介質(zhì)在宏觀上不顯示電性。在外電場的作用下，每個分子的電矩受到電場的力矩作用,趨于同外場平行,即趨于有序化；另一方面熱運動使電矩趨于無序化。在一定的溫度和一定的外電場下，兩者達到平衡。固有電矩的取向極化也可以引入取向極化率αd描述,當電場強度不太大而溫度不太低時,，k是玻耳茲曼常數(shù)，T是熱力學溫度。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。從效果上相當于增強電介質(zhì)的介電性能。
　　電介質(zhì)的極化是這四種極化機制的宏觀總效果。
　　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不單是外加的宏觀電場E(自由電荷和極化電荷產(chǎn)生的總電場），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。作用于分子或原子的這種電場叫做有效場(或局部場)。對于偶極子的無規(guī)排列或?qū)τ诩兞⒎疥嚺帕芯w,有效電場, P 為電極化強度，稱為洛倫茲有效場。由此可得出關(guān)于電介質(zhì)相對介電常數(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)。對于非極性分子的電介質(zhì),這一公式與實驗符合得相當好,但它不能說明強極性分子的行為。實驗上可根據(jù)測定的εr由此式確定極化率α，對于弱極性電介質(zhì),可由它確定極性分子的電偶極矩。
　　極化弛豫 　電介質(zhì)的極化是一個弛豫過程，從施加電場到達極化平衡需要一定的時間，這個滯后的時間用弛豫時間τ 描述。電子極化和離子極化的時間非常短，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程有關(guān)，它們則有較長的弛豫時間。極化弛豫現(xiàn)象造成電介質(zhì)內(nèi)部電位移D 和場強E具有一定的位相差，是引起電介質(zhì)損耗的一個原因，研究極化弛豫可獲得關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。
　　自發(fā)極化 　普通的電介質(zhì)當場強不太大時,P同E成正比關(guān)系，場強回到零時，極化也為零。然而也存在一些電介質(zhì)在一定的溫度下，當外電場撤離后仍有一定的極化，稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化不能被外電場反轉(zhuǎn)的電介質(zhì)稱為熱電體，自發(fā)極化可被外電場反轉(zhuǎn)的電介質(zhì)稱為鐵電體。在鐵電體中極化強度同電場的關(guān)系構(gòu)成電滯回線。電滯回線表明鐵電體中存在電疇，它是一些具有正負極性的自發(fā)極化區(qū)。鐵電體中一般包含若干個電疇，相鄰電疇的邊界稱為疇壁。對于單晶體的鐵電體只有在足夠強的電場下，電疇都沿外電場取向而成為單疇結(jié)構(gòu)。鐵電體也存在一臨界溫度（稱為鐵電居里點）。當鐵電體的溫度高于此溫度時，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，此時由極化引起的有效場比晶體中作用在離子上的彈性恢復力增加得更快，導致離子從平衡位置移動的不對稱性，引起點陣的畸變，位移型鐵電性的出現(xiàn)就與一定溫度下點陣對稱性的降低有關(guān)。極化災(zāi)變是引起鐵電性的原因。

 

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