大学物理7.13 电介质及其极化机理

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电介质的极化课件

电介质分类
总结词
电介质根据其组成和结构可分为离子型、电子型和复合型三类。
详细描述
离子型电介质由正负离子组成，在电场作用下离子会发生定向移动形成传导电流。电子型电介质由自由电子组成，其导电性类似于金属导体。复合型电介质则同时包含离子和电子两种导电机制。
电介质性质
总结词
电介质的主要性质包括绝缘性、介电常数、介质损耗等。
详细描述
电介质的绝缘性是指其抵抗电流通过的能力，介电常数则反映了电介质在电场作用下的极化程度，而介质损耗则是指电介质在电场作用下能量损耗的能力。这些性质在电力系统和电子设备中具有重要的应用价值。
02
电介质极化原理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场的作用下，正负电荷中心发生相对位移，从而在电介质中出现的宏观电荷现象。
压电效应
压电效应是指电介质在受到外力作用时，会在其内部产生电荷的现象，其特点是具有逆压电效应和正压电效应。
极化机制
电子位移极化
取向极化
电子位移极化是指在外加电场的作用下，电子受到电场力的作用而发生位移，从而产生宏观电荷的现象。
取向极化是指在外加电场的作用下，分子中的正负电荷中心发生相对位移，从而产生宏观电荷的现象。
分析不同电介质材料的极化特性。
实验设备
电极
用于施加电场和测量电位的电极。
测量仪器
用于测量电介质极化率的测量仪器。
电介质样品
不同类型和性质的电介质材料。
电源
用于提供实验所需电压的电源。
实验装置
包括电容器、绝缘支架、绝缘棒等组成的实验装置。
实验步骤
01

电介质的极化

3.影响tgδ的因素
（1）温度的影响
（2）频率的影响
（3）电压的影响
在电场强度不很高时，tgδ不变；在电场强度较高时， tgδ随电场强度升高而迅速增大
2.2.1.液体电介质的击穿特性 1、液体击穿机理（1）电击穿理论在外电场足够强时，电子在碰撞液体分子可引起电离，使电子数倍增，形成电子崩。同时正离子在阴极附近形成空间电荷层增强了阴极附近的电场，使阴极发射的电子数增多，导致液体介质击穿。纯净液体介质的击穿理论与气体放电汤逊理论中的作用有些相似。但液体密度比气体密度大得多，电子的平均自由行程很小，必须大大提高场强才开始碰撞电离。
1.1.1. 电介质的极化
1.定义电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移
Qo=CoU
C0
0 A
d
A
Q CU C d r Q0 C0U C0 0A 0 d
2. 相对介电系数εr 表征电介质在电场作用下的极化程度
3. 极化的基本形式 (1) 电子式极化
杂质的多少含水量纤维量气量通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质2温度3电压作用时间加压后短至几个微秒时表现为电击穿击穿电压很高当电压作用时间大于毫秒级时表现为热击穿击穿电压随作用时间增加而降低电场愈均匀杂质对击穿电压的影响愈大分散性也愈大击穿电压也愈高4电场均匀程度3
任务一
电介质的极化、电导及损耗
（2）“小桥”理论
变压器油的击穿主要原因,在于杂质的影响,而杂质是水分、受潮的纤维和被游离了的气泡等构成，它们在电场的作用下，在电极间逐渐排列成为小桥，从而导致击穿。
2. 影响液体电介质击穿电压的因素
（1）自身品质因素：杂质的多少（含水量、纤维量、气量）

电介质的极化

电介质（dielectric）也就是绝缘体，它们本身是不导电的，即它们不含有自由电子。

因此，与导体相比，电介质对外场的响应是不同的。

对于导体而言，其对外电场的响应就是自由电子定向移动，产生感应电荷，最终达到静电平衡。

而对于电介质而言，其对外电场的响应是束缚电荷的受限移动（移动范围不能超出原子），从而产生宏观的极化电荷。

这种对外电场的响应称为电介质的极化。

极化的微观过程是束缚电荷在外电场中的运动。

任何物质的分子都是由电子和原子核构成的，整个分子是电中性的。

正（原子核）、负电荷（各个电子）在空间中都具有一定的分布。

利用等效理论（原理），对正、负电荷分开处理，可以得到这个分子的等效正电荷的大小、位置以及等效负电荷的大小、位置。

这样，就可以得到分子的等效固有电偶极矩。

根据对称性，可以将分子分为无极分子和有极分子。

顾名思义，无极分子就是分子等效电极距为0的分子，即分子的正、负等效电荷的位置重合，这要求分子的结构具有某些对称性，如氢分子，四氯化碳分子等。

有极分子就是分子等效电极距不为0的分子，这种情况更为多见。

自然地，这两种分子的极化机制不同。

对于无极分子而言，一旦加上了外电场，原本重合的正、负等效电荷点会分开，产生感生电极距，也称为位移极化。

而对于有极分子而言，不仅仅有位移极化，本身的固有电极距会在外场作用下从原本的杂乱无章到逐渐有序，这种极化称为取向极化。

那么如何定量描述极化的强度呢？极化强度是宏观量，而极化微观机制是微观图像。

将宏观量和微观图像联系起来的有效工具便是微元法，即取一小块体积元，将体积元内所有电极距叠加起来，除以体积元的大小，定义为极化强度矢量。

那么极化电荷的分布情况如何呢？对于均匀的电介质而言，可以想象，电介质体内是不会出现宏观的极化电荷的，因为它们都抵消掉了（想象一下极化的微观过程可知）。

但在表面情况就不同了。

这个表面并不是电介质的理想表面，而是指距离理想表面的距离小于L的地方。

其中L为分子感生电极距中等效正电荷点与等效负电荷点的距离。

电介质的极化

高压绝缘基本理论
电介质：是几乎指不导电的物质，即绝缘材料。
电介质（绝缘材料）种类： ①气体绝缘材料，常用的有空气、氮、氢、二氧化碳和六氟化硫等；②液体绝缘材料，常用的有从石油原油中提炼出来的绝缘矿物油，十二烷基苯、聚丁二烯、硅油和三氯联苯等合成油以及蓖麻油；③固体绝缘材料，常用的有树脂绝缘漆，纸、纸板等绝缘纤维制品，漆布、漆管和绑扎带等绝缘浸渍纤维制品，绝缘云母制品，电工用薄膜、复合制品和粘带，电工用层压制品，电工用塑料和橡胶、玻璃、陶瓷等
高压绝缘基本理论
气体εr接近于1，液体和固体大多在2～6之间。
❖ 用于电容器的绝缘材料，显然希望选用εr 大的电介质，因为这样可使单位电容的体积减小和重量减轻。
❖ 其他电气设备中往往希望选用εr较小的电介质，这是因为较大的εr往往和较大的电导率相联系，因而介质损耗也较大。
❖ 采用εr较小的绝缘材料还可减小电缆的充电电流、提高套管的沿面放电电压等。
高压绝缘基本理论
夹层极化的特点：过程缓慢并有损耗
测量时电流随时间变化规律
单一介质时，电流很快衰减，
多层介质时，因夹层极化，电流衰减慢
高压绝缘基本理论 ④夹层式极化
❖ 凡是由多种电介质组成的绝缘结构，在加上外电场后，各层电压将从开始时按介电常数分布逐渐过渡到稳态时按电导率分布。在电压重新分配的过程中，夹层界面上会积聚起一些电荷，并重新分布，这种极化称为夹层介质界面极化，简称夹层极化。
❖ 随着加压时间t的增加，UB下降而 UA增高，总的电压U保持不变。这就意味着CB要通过GB放掉一部分电荷，而CA要通过GB从电源再吸收一部分电荷。
有外电场时，偶极子顺电场排列
偶极子式极化特点：时间较长并有损电荷不

电介质及其极化(完整)

整个电介质可以看成是无数的点偶极子的聚集体。虽然每个分子的等效点偶极矩不为零，但不管从电介质整体来看，还是从电解质的某一小体积来看，电解质是呈中性的。
+
无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合。
无极分子的等效电偶极矩：无极分子电介质整体也是呈中性的。
p0
二、电介质的极化

++ + + + ++
靠近球的外部空间，上下区域，合场强减弱；左右区域，合场强增强。
++ ++ + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + --L
θ
总电场外电场
极化电荷所激发电场
一、平行板电容器均匀电介质
极板间电介质中的合场强E的大小为
0
+
'
E0
0
'
E E0 E
'
+ + + +
E
' E
-
0 0 0
'
电介质中的电极化强度为而
'
p e 0 E
p 代入上式得
E E0
在球心处的场95空间任一点的合场强e应该是外电场总电场极化电荷所激发电场极板间电介质中的合场强e的大小为上式表明在均匀电介质充满整个电场的情况下电介质内部的场强e为场强设极板的面积为s则极板上总的电荷量为极板间充满均匀电介质后的电容电介质内部场强减弱为外场的这一结论并不普遍成立但是电介质内部的场强减弱却是比较普遍的

电介质的极化

电介质的极化
§3.3 电介质的极化：
一、极化：在外电场的作用下，电介质所发生的变化称之。

二、位移极化：无极化分子的极化。

在外电场的力矩作用下，正负电荷的“重心”发生反向位移而分开的变化。

图
由0P = 变为0P ≠ 。

三、取向极化：有极分子的极化。

在外电场的力矩作用下，分子偶极矩发生转向（趋于和外电场方向一致）的变化。

由0i P =∑
变为0i P ≠∑。

实际上，从机理上分析，有极分子的极化，不是单纯的取向极化，由于电场力的作用，同时还有位移极化，只不过是谁大谁小的问题。

四、极化强度矢量P
1、P ：定量描述电介质极化程度的宏观物理量。

2、极化的实质：
不论是哪种介质，极化前0i P =∑
，而极化后，则0i P ≠∑ 。

即极化是分子极矩和由
零到非零的变化。

3、P 的定义：1m i
i P P τ==?∑
τ?为物理无限小体积。

因而： P
是宏观矢量点函数。

4、P 与E 的关系：
实验表明：在各向同性电介质中
0P E εχ=
χ：称为极化率，取决于电介质的性质。

当χ处处相同时，亦称为均匀介质。

各向同性：指P 与E 的关系式与方向无关。

各向异性中，用极化率张量描述。

电介质的极化课件

电介质可以分为气体、液体和固体三类。
详细描述
根据物质的状态和性质，电介质可以分为气体、液体和固体三类。不同状态的电介质有不同的应用场景，如气体电介质常用于高压绝缘，液体电介质常用于电缆绝缘，固体电介质常用于电子器件和绝缘材料。
电介质性质
总结词
电介质具有高绝缘性、介电性、热稳定性等性质。
详细描述
频率特性
频率对电介质极化的影响
随着频率的增加，电介质的极化率通常会减小，这主要是因为频率增加会导致电场变化速度增加，使得电介质分子来不及响应电场的变化。
频率对介电常数的影响
随着频率的增加，介电常数通常会减小，这主要是因为频率增加会导致电场变化速度增加，使得电介质对电场的响应能力降低。
压力特性
03
极化性
温度特性
温度对电介质极化的影响
随着温度的升高，电介质的极化率通常会减小，这主要是因为温度升高会导致电介质内部的分子热运动增强，从而降低分子间的相互作用力。
温度对介电常数的影响
介电常数随着温度的升高而减小，这主要是因为温度升高会导致电介质内部的正负电荷的热运动速度增加，从而降低电介质对电场的响应能力。
电介质具有高绝缘性，能够承受强电场作用，具有良好的介电性能，能够存储电荷并隔绝电流。此外，电介质还具有热稳定性，能够在高温下保持稳定的性能。这些性质使得电介质在电力、电子、通信等领域有着广泛的应用。
02
极化理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场作用下，其内部偶极子定向排列的现象。
极化程度
分析数据
根据实验数据，分析电介质极化的规律和特点，探究与材料性能之间的关系。
06
极化

大学物理电磁学部分07电介质的极化和介质中的高斯定理-PPT文档资料

1.介质中的高斯定理
q 0 真空中的高斯定理 E S 0d
S
在介质中，高斯定理改写为：
总场强自由电荷
0
注意：决定介质极化的不是原来的场 E 0 而是介质内实际的场 E 。 E '又总是起着减弱总场 E的作用，即起着减弱极化
的作用，故称为退极化场。
10
任一点的总场强为： E E E ' 0
作用下，电介质发生极化；极化强总结：在外电场 E 0 度矢量 P 和电介质的形状决定了极化电荷的面密度，而又激发附加电场 E ，又影响电介质内部的总电 E 场 E ，而总电场又决定着极化强度矢量 P 。各物理量的关 E p Pn 0
F
E 0
E0
这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为取向极化
6
外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大。说明：电子位移极化效应在任何电介质中都存在，而分子转向极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分子构成的电介持中，转向极化效应比位移极化强得多，因而是主要的。
系如下：
E E E ' 0
E'
在电介质中，电位移矢量、极化电荷、附加电场和总场强这此量是彼此依赖、互相制约的。为了计算它们当中的任何一个量，都需要和其它量一起综合加以考虑。这种连环套的关系太复杂，在实际计算中比较繁琐。物理学追求“和谐、对称、简洁！
11
四、介质中的高斯定理电位移矢量
P P cos 极化强度矢量在表面外法线方向上的分量 n
'为电介质表面极化电荷的面密度，
n
n
为极化强度矢量与外法线方向的夹角

电介质的极化与相关性质(物理电磁毕业论文)

毕业论文（设计）毕业论文题目关于电介质的极化与相关性质指导教师学生姓名二O一四年三月十二日目录引言 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，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。

分析电介质极化原理

分析电介质极化原理一、课程目标知识目标：1. 学生能理解电介质的定义和基本特性，掌握电介质极化现象的原理。

2. 学生能描述不同类型的电介质极化过程，解释极化强度与电场强度之间的关系。

3. 学生能运用相关公式计算电介质的极化电荷和电容。

技能目标：1. 学生通过实验观察和分析电介质极化的现象，培养观察、分析和解决问题的能力。

2. 学生能运用物理原理进行数学建模，培养理论联系实际的思维方法。

3. 学生在小组讨论中，学会协作和沟通，提高团队协作能力。

情感态度价值观目标：1. 学生在学习过程中，培养对物理现象的好奇心和探究精神，增强学习兴趣。

2. 学生通过本课程的学习，认识到物理知识在科技发展和社会进步中的作用，增强社会责任感。

3. 学生在探索电介质极化原理的过程中，培养严谨的科学态度和尊重客观事实的精神。

二、教学内容本课程以《电磁学》教材中关于电介质极化原理的相关章节为基础，教学内容包括：1. 电介质的定义和分类：介绍电介质的概念，区分不同类型的电介质及其特点。

2. 电介质极化现象：讲解电介质在电场作用下的极化过程，分析不同类型的极化现象。

3. 电介质极化强度与电场强度的关系：阐述极化强度与电场强度之间的依赖关系，引入介电常数概念。

4. 极化电荷的计算：教授电介质极化电荷的计算方法，运用相关公式进行实例计算。

5. 电容器的电容：介绍电容器的基本原理，分析电介质对电容的影响，推导电容的计算公式。

6. 实验教学：组织学生进行电介质极化实验，观察极化现象，验证理论知识。

教学内容按照以上大纲安排，注重理论与实践相结合，使学生系统掌握电介质极化原理及其应用。

三、教学方法针对电介质极化原理的教学，采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：以教师为主导，系统讲解电介质极化原理的基本概念、理论知识和相关公式。

通过生动的语言、形象的比喻，使学生易于理解和接受。

2. 讨论法：组织学生进行小组讨论，针对电介质极化现象及其应用进行探讨。

电介质及其极化综述

有电介质时的高斯定理
电位移
2 D dS D 4r q0 q0 D 所以 2 4r q0 写成矢量式为 D r 3 4r 因 D E , 所以离球心r 处P点的场强为 D q0 q0 E E r r 3 3 4r 4 0 r r r
D
0 r R1 R1 r R2 2 r
0 r R2
有电介质时的高斯定理
电位移
由电位移与电场的关系，知
0
E
U
R1
2 0 r r
r R1
R1 r R2
R2 R1
0
r R2
内外筒电势差
R2
R2 E dl
R1
R2 dr ln 20 r r 20 r R1
有电介质时的高斯定理
电位移
结果表明：带电金属球周围充满均匀无限大电介质后，其场强减弱到真空时的1/εr倍, 可求出电极化强度为
q0 q0 q0 r 1 P r 0 r r 3 3 3 4r 4 0 r r 4r r 电极化强度 P 与 r 有关，是非均匀极化。在电介
质内部极化电荷体密度等于零，极化面电荷分布在与金属交界处的电介质变面上（另一电介质表面在无限远处），其电荷面密度为
P en
有电介质时的高斯定理
电位移
q0 r 1 2 4R r
因为εr >1，上式说明σ’恒与q0反号，在交界面处只有电荷和极化电荷的总电荷量为
由 P n 0 ( r 1) E n 得束缚电荷的分布
上负下正上负下正上负下正
4 r（ 3 r 2 1) 0 ( r 2 1) E2 2 r1 r 2 r1 r 3 2 r 2 r 3 4 r（ 2 r 3 1) 0 ( r 3 1) E3 3 r1 r 2 r1 r 3 2 r 2 r 3

电介质的极化机制分析

电介质的极化机制分析摘要：电介质是一种以特殊电极化方式储存、传递和记录电的影响与作用的一种形式，本文主要针对电介质的极化机制进行分析。

关键词：电介质；极化机制；分析电介质直观的说就是由大量的带电粒子组成的电荷体系。

电子极化就是原子核在电场的作用下跟负电子云进行相对的位移，导致二者之间的等效中心从重合状态转变到分开一定距离的状态给。

客观上说一切的物质都具有介电性质，本文主要对电介质的介电常量这一概念进行了叙述，同时对电介质的极化机制进行了深入地分析，比较并详细分析了电介质的介电常量的变化规律，也对电介质的静态介电常量和光频介电常量相等的微观机制进行了详细地描述。

1 电介质极化机制简介复合粒子是组成宏观物质的一些由基本粒子组合成的亚原子粒子，如原子、离子合分子都属于复合粒子。

每一个宏观的物体其内部就够都是由许多的离子组成的，这些离子受到热运动的影响，运动轨迹处于混乱状态。

因此粒子本身受到热运动的平均作用，不管自身有没有电距，都能使这个宏观物体的极化强度始终保持为零。

但是如果加以外电场的作用，粒子就会沿电场方向贡献一个电距，促使电介质在宏观程度出现极化。

粒子对极化的贡献可以从以下三个方面来分析：1）原子核外电子云的畸变极化的过程。

在很短的时间内电子云就可以完成极化过程，在内层电子的极化时间只需要10-19s，介电子只需要10-14—10-15s，它与红外线和紫外线的光区的行光震动周期相对应，电子极化率包含有10-40Fm2量级。

由此看来，原子核中心与电子云的中心相比较，他们之间的相对位移量是非常小的。

2)从分子的正、负离子的相对位移极化来分析。

晶格震动周期跟离子位移极化的建立所需时间相比，有着相同的数量级。

在这段时间内它们与红外光驱的震动周期相对应，如果频率恰好处在了红外范围之内，在交变电场的作用下，就可以产生剧烈的共振吸收和色散。

粒子位移极化率的数量级大体上与电子位移极化率相近。

一些诸如氯化氢等共价键结合物分子就能够在电场的作用下发生键长的变化，这一变化就能够使分子的固有偶极矩随之产生变化，但是总的来说一般非离子型介质分子中的原子还是不容易发生位移的。