[科普中国]-电介质极化

电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。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，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。

基本含义根据电介质中束缚电荷的分布特征，可将组成电介质的分子分为无极分子和有极分子两类。尤极分子是指电介质内部的束缚电荷分布对称．正电荷与负电简的中心重合，对外产生的合成电场为0，对外不显电特性的分子；有极分子是指其内部束缚电荷分布不对称，正电荷与负电荷的中心不重合，本身构成一个电偶极矩(简称电矩)的分子，或称为电偶极子。1

无外加电场时，无极分子电介质中的分子没有电矩。有外加电场时，每个无极分子在外电场作用下使得正、负电荷的中心被拉开微小的距离，电荷的中心产生位移，形成了一个电偶极子。产生一个电矩，电矩的方向与外电场的方向平行。外电场越强，分子中电荷的中心位移越大．电介质中分子电矩的矢量和也越大。无极分子电介质的这种特性称为位移极化。1

无外加电场时，有极分子电介质中的分子具有一个固有电矩。但是由于电介质内部分子的无规则热运动，使得每个具有电矩的极性分子分布无规则，因此电介质中所有分子电矩的矢量和为0，对外产生的合成电场为0，对外也不显电特性。有外加电场时．每个有极分子的电矩都受到一个外电场力矩作用．使得有极分子的电矩在一定程度上转向外电场方向．最终使得电介质中分子电矩的矢量和不等于0。外电场越强，分子电矩排列越整齐，电
介质中分子电矩的矢量和也越大。有极分子电介质的这种特性称为取向极化。外加电场作用下．电介质中无极分子的束缚电荷发生位移产生的位移极化，以及有极分子的固有电矩的取向趋于电场方向而产生的取向极化统称为电介质的极化。1

电介质的极化使得电介质内分子的正负电荷发生位移或取向变化，电介质内部出现许多按外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子改变了整个电介质原来的电场分布。在电介质内部可能出现净余的电荷分布，同时在电介质的表面上有电荷分布，这种电介质表面上的电荷称为极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，不能自由移动，因此也称为束缚电荷。但是极化电荷也是电荷，它与自由电荷一样是产生电场的源，极化电荷对原电场有影响，会引起整个电介质电场的变化。1

极化强度不同电介质的极化程度是不一样的。为了分析电介质极化的宏观效应，常引入极化强度P这一物理量来表征电介质的极化特性。极化强度是一个矢量，定义单位体积内电偶极子电矩的矢量和为极化强度。1

极化电荷密度极化电荷密度电介质在外电场作用下发生极化后．若电介质内部极化均匀，则电介质内的极化电荷等于0，电介质内不会存在极化电荷的体分布；若电介质内部极化不均匀，则电介质内的极化产生的电偶极子的分布也不均匀，电介质内的极化电荷不等于0，电介质内部存在极化电荷的体分布。无论电介质内均匀极化或非均匀极化，电介质的表面都会有极化电荷存在。1

我们知道，电介质极化会产生极化电荷，而极化强度又是表征电介质的极化程度的物理量，这二者之问必有一定的关系。在电介质中的任意闭合面S内作一面积元dE，其法向单位矢量为P。1

极化机制电子、离子位移极化电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化(也称电子形变极化)。2

离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率。2

电介质极化弛豫极化这种极化机制也是由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。例如，当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热弛豫(松弛)极化。极化造成带电质点的运动距离可与分子大小相比拟，甚至更大。由于是一种弛豫过程，建立平衡极化时间约为101~102s，并且由于创建平衡要克服一定的位能，故吸收一定能量。因此，与位移极化不同，弛豫极化是一种非可逆过程。2

弛豫极化包括电子弛豫极化、离子弛豫极化、偶极子弛豫极化。它多发生在聚合物分子、晶体缺陷区或玻璃体内。2

取向极化沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩，这种极化称为取向极化。2

这是极性电介质的一种极化方式。在无外电场时，由于分子的热运动，偶极矩的取向是无序的，所以总的平均偶极矩较小，甚至为0。而组成电介质的极性分子在电场作用下，除贡献电子极化和离子极化外，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化。在这种状态下的极性分子的相互作用是一种长程作用。尽管固体中极性分子不能像液态和气态电介质中的极性分子那样自由转动，但取向极化在固态电介质中的贡献是不能忽略的。对于离子晶体，由于空位的存在，电场可导致离子位置的跃迁，如玻璃中的钠离子可能以跳跃方式使偶极子趋向有序化。2

电介质极化空间电荷极化众所周知，离子多晶体的晶界处存在空间电荷。实际上不仅晶界处存在空间电荷，其他二维、三维缺陷皆可引入空间电荷，可以说空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从而表现为极化。2

宏观不均匀性，例如夹层、气泡等也可形成空间电荷极化，因此，这种极化又称界面极化。由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外场方向相反的电场，故而有时又称这种极化为高压式极化。2

空问电荷极化随温度升高而下降。这是因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减小。空间电荷极化需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。2

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何星 - 副教授 - 上海交通大学