电介质物理
电介质物理.
65oC 276oC
50Hz 3×106 Hz
6×10-4 3×10-4
1×1010 3.5×106
1.4×1011 4×106
结论：
① 与 基本相当；
②高频（2×106 Hz）下，介质损耗也是电导损耗。
电介质的损耗
无机玻璃——以共价键结合为主， s
，g
0, tan
0 r
如食盐Nacl晶体，石英，云母等。
只有e和a，r n2 , g 0
损耗主要来自电导
tan 1.81010 1 ( 1 )
0 r
f r
电介质的损耗
Nacl晶体的tan，与计算值
温度
f
tan ( m) ( m)
低频 高频
电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其 它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的 电能叫介质损耗。
电介质的损耗
电介质的损耗
在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量
电导损耗
产生原因
松弛极化 典型的为偶极子转向极化
电介质的损耗
在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流 I R
偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）
Response is still slower
空间电荷极化(Space Charge Polarizability)
Response is quite slow, τ is large
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
①瓷——较常用 绝缘子 ②玻璃
③有机——复合的 陶瓷：不均匀结构，含三相①结晶相，②玻璃相，③气隙
高中物理竞赛讲义-电介质
电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
大学物理(6.2.1)--静电场中的电介质
d r
P
E
0 - -+- -+- -+- -+- -+-
E E0 0 r 0 r
'
(1
1 r
)
0
,
电极化率
10/13
电介质的击穿
理想电介质中没有自由电荷，但是实际的电 介质中总是存在一定的自由电荷。可以在电场作用 下产生微弱的电流。
加在电介质上的电场强度足够大时，电介质 中的电流迅速增加，其绝缘性能被破坏，甚至电介 质可能被烧毁。这叫电介质的击穿。
热释电性：温度的变化 表面产生极化电荷
电光效应：施加电场 晶体折射率发生变化
重要应用领域：
微电子学技术、超声波技术、电子光学、激光技术 、
新材料等
3/13
※ 电介质对电场的影响
( 电介质放在电场中）
U 0 E0
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
σ σ
电场
U E
+++++++
- - -εr- - - -
)
0
,
Q'
εr εr
1
Q0
9/13
※ 电极化强度与电场强度的关系
充满 r 的各向同性均匀电介质的平行板电容器
P
σ
'
r 1 r
0
,
P ( r 1)0E
P (r 1)0E
大学物理 电介质
χ = εr − 1 电极化率
令 ε r = (1 + χ e ) 为相对介电常量（相对电容率）
ε = ε 0ε r ～电介质的电容率
5
四、极化电荷与自由电荷的关系
E
=
E0
−
E'=
E0 εr
E'=
εr − 1 εr
E0
d
σ'=
εr − εr
1
σ
0
Q' =
εr − εr
即 D⇒ E ⇒ P ⇒σ′ ⇒q′
9
物理意义
E
单位试验电荷 的受力
单位体积内的 P 电偶极矩的矢
量和 无物理意义， D 只有一个数学 上的定义 D = ε0E + P
= ε 0ε r E
特点
真空中关于电场的讨论都 适用于电介质：高斯定律、 电势的定义、环路定理等
各向同性均匀电介质中
P = ε0χe E ，表面束缚电荷 σ ′ = P ⋅ n ，电介质中P ≠ 0
D = (1+ χ )ε0E
ε r = (1 + χ )
ε = ε rε 0
相对电容率或相对介电常量
电容率或介电常量
D＝ε0ε r E = εE
•注意： D 是辅助矢量，描写电场性质的物理量仍为 E ,V
对于真空 χ e = 0 ε r = 1 ε = ε 0 则 D = ε 0 E
3、有电介质时的高斯定理的应用
在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。
4.极化电荷
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表 面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不 能在电介质内部自由移动。我们称它为束缚电荷或极化电荷。 它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
电介质物理基础__复习纲要
电偶极子：两个大小相等的正、负电荷"^！和^)，相距为I，I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1 ^电量^与矢径匸的乘积定义为电矩，电矩是矢量，用^表示，即11=0 ^ I "的单位是〔^①。
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0^退极化电场由极化电荷所产生的场强。
丑介电系数电容器充以电介质时的电容量〔与真空时的电容量〔0的比值为该电介质的介电系数5" ^ ^ 它是一个大于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：^ ^ 1十5^ 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，用曰6表示。
感应偶极矩与有效电场已6成正比，即^ ^扱化强度？：单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和，即极化强度〉的宏观参数：1 ^提高介电系数1)1^个；2)0：个；3)^6个微观参数：1、感应偶极矩^ ^2、极化率0 ："^0013 (其物理含义是每单位电场强度的分子偶极矩。
越大，分子的极化能力越强。
单位是〉^2 3、极化强度〉〔单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和，单位是0/^12 ？^ 则5 〉―&^极化系数，宏观参数第三节宏观平均场强^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：①电介质连续均匀，②介电系数不随电场0电位移0 强度的改变发生变化。
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。
电介质物理知识点总结
电介质物理知识点总结电介质是一类具有不良导电性能的材料，可用于电容器、绝缘体等应用中。
电介质物理是研究介质在电场作用下的电学性能的科学。
电介质物理是电磁场理论和介质物理学的重要组成部分。
下面我们将对电介质物理的相关知识点进行总结和展开。
1. 电介质的基本性质电介质是一种不良导电性能的材料，通常包括固体、液体和气体。
电介质的主要特点是在外电场作用下会发生极化现象。
极化是指介电极化，即在电场作用下使介质内部出现正负电偶极子的排列现象，从而使介质产生极化电荷。
常见的电介质包括空气、水、玻璃、塑料等。
2. 电介质的极化过程当电介质处于外电场中时，介质内部的正负电荷将发生位移，使介质被极化。
电介质的极化过程可分为定向极化和非定向极化两种类型。
其中，定向极化是指在介质中存在有定向的分子或离子，当外电场作用下，这些分子或离子会按照一定方向排列，这种极化过程被称为定向极化；非定向极化是指介质中的分子或离子并不具有固定的方向排列，当外电场作用下，这些分子或离子将发生不规则的排列，这种极化过程被称为非定向极化。
极化过程使介质产生极化电荷，从而改变了介质的电学性能。
3. 介质极化的类型根据介质极化的不同类型，可以将极化过程分为电子极化、离子极化和取向极化。
电子极化是指在电场的作用下，介质中的电子云将出现位移，从而使整个分子或原子产生极化；离子极化是指在外电场作用下，介质中的阴离子和阳离子将发生位移，产生极化现象；取向极化是指在电场作用下，具有一定取向的分子或离子将产生极化现象。
不同类型的极化过程会影响介质的电学性能。
4. 介质极化与介电常数介质的极化现象将改变介质的电学性能，其中介电常数是一个重要的参数。
介电常数是介质在外电场作用下的电极化能力的体现，介电常数越大，介质的电极化能力越强。
介电常数的大小将影响介质的导电性、电容性等电学性能。
5. 介电损耗介质在外电场作用下会产生能量损耗，这种现象被称为介电损耗。
介电损耗会导致介质内部的吸收能量和产生热量，从而影响介质的电学性能。
电介质基本物理知识
第一章电介质基本物理知识电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。
在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。
目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作经验来进行解释和判断。
第一节电介质的极化一、极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。
当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。
电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。
（一）电子极化电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为1015 s。
它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。
（二）原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。
离子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形成正负电荷距离。
原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。
因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为1013-s。
（三）偶极子转向极化电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它的正负电荷作用中心不重合。
当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观的看，电介质不呈现极性。
在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。
物理学中的电介质物理学理论
物理学中的电介质物理学理论电介质物理学理论是指在电学领域中，研究非金属材料在电场中的响应性质的学科，其研究的对象是电介质。
电介质是指在外界电场作用下，会将电能转换为其他形式的非导体材料。
电介质广泛应用于电子学、通信、电力等领域，是现代电子科技中不可或缺的一部分。
1. 电介质物理学理论的基础知识电介质在外界电场下会发生极化现象，也就是说，电介质中的电子、离子、偶极子等会产生相应的分布。
这种电荷分布会影响电介质中的电场分布，从而影响电介质物质的响应。
电介质分为线性电介质和非线性电介质，线性电介质遵循线性关系，而非线性电介质不遵循线性关系。
另外，电介质的极化可以分为自发极化和强制极化。
自发极化是指电介质中存在自发极化矢量，在无外界电场的作用下也会存在极化现象。
而强制极化是指电介质在受到外界电场的作用下，会出现新的极化矢量，这种极化是强制性的，与电介质自身性质无关。
2. 电介质的电容与介电常数对于一个电介质，其电容和介电常数是两个非常重要的参数。
电容指的是电荷与电势之间的比例关系，即电容等于电荷与电势的比值。
介电常数是电介质中电场强度与电位移密度之间的比值，介电常数越大，则电介质极化相对来说就越明显。
需要注意的是，电介质的介电常数会随着温度和频率的变化而变化。
在高温下介电常数通常会降低，而在频率高于1MHz时介电常数也会下降。
3. 非线性电介质的应用非线性电介质的特点是其电极化与电场的关系不是线性的，当电场强度超过一定阈值时，电介质中会出现非线性响应。
非线性电介质具有频率倍增与和谐倍频等非线性效应，被广泛用于激光技术、雷达通信以及图像处理等领域。
例如，二极管光谱翻转技术，通过在非线性晶体中将激光脉冲和稳态激光序列合并，可以生成高质量的超短脉冲。
4. 结语在科技不断进步的今天，电介质物理学理论正作为电子学、通信、电力等领域的重要组成部分，不断发掘和发展着。
通过系统而深入地学习电介质物理学理论，人们可以更好地理解各种电介质材料的性质，并将其应用于实际生活中的各种领域。
电介质物理 孙目珍 华南理工(缩印版)
电介质的极化：在外电场的作用下，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。
电介质的损耗：电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变为热能的物理过程，称为电介质的损耗。
电介质电击穿：在电场直接作用下发生的电介质被破坏的现象称为电介质点击穿。
极化强度P：一种为了衡量电介质极化的强弱，用单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和所表示的物理量。
单位是C/m2。
退极化电场：电介质极化以后，电介质表面的极化电荷将削弱极板上的自由电荷所形成的电场，所以由极化电荷所产生的场强被称为自发极化：在没有外电场的作用下，晶体的正、负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象称为电介质的自发极化。
电介质热击穿：由于电介质内部热的不稳定过程所造成的击穿现象。
迁移率：单位电场作用下的载流子沿电场方向的平均漂移速度称为载流子的迁移率。
自持放电：在电场强度临界值E m点之后，即使将外界电离因素去掉，放电仍将继续维持的，称为自持放电。
居里温度：由顺电相向铁电相转变的温度。
以针-板电场（针极分别为正极和负极）为例分析不均匀电场中气体放电的极性效应答：当针尖为正时，正的空间电荷削弱了针尖附近的电场，加强了正空间电荷到极板之间的弱电场。
这种情况相当于高电场区从针尖移向板极，像是正电极向负电极延伸了一段距离，因此击穿电压比针尖为负时低。
当针尖为负时，正空间电荷包围了针电极，加强了针尖附近的电场，而削弱了正空间电荷到极板之间的电场，使极板附近原来就比较弱的电场更加减弱了，像是增加了针尖的曲率半径，电极间的距离虽然缩短了一些，但电场却均匀了，因此负针-板电极的击穿电压高于正针-板电极的击穿电压。
简述钛酸钡铁电晶体180°畴和90°畴极化反转特点答：180°畴特点：①畴壁生长速度约是声速1/10~1/5。
②侧向移动速度约是10-6~10-2cm/s。
③空间电荷对于畴壁移动的影响，阻碍电畴的反转。
电介质基本物理知识
第一章电介质基本物理知识电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。
在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。
目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作经验来进行解释和判断。
第一节电介质的极化一、极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。
当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。
电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。
（一）电子极化电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为1015 s。
它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。
（二）原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。
离子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形成正负电荷距离。
原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。
因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为1013-s。
（三）偶极子转向极化电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它的正负电荷作用中心不重合。
当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观的看，电介质不呈现极性。
在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。
大学物理电介质讲义省公开课获奖课件市赛课比赛一等奖课件
( pi 0)
无外电场
F 1
( pi 0)
有电场取向极化
E 0
E
极化旳宏观效果总是在电介质表面出 现电荷分布， 称为极化电荷或束缚电荷。 E E0 E 0
3、电极化强度 (Polarization intensity）
V
— 表征电介质极化程度 宏观描述？
前
pi 极化后每个分子旳电偶极矩 取宏观上无限小
dWe dq
Q2
We
dW
dq
0 40R
8 0 R
例12.5 半径为R、相对介电常数为εr 旳
Q R
球均匀带电
Q
，求其电场能量。
r
解：
D dS
S
q0i内
i
D 4r 2 4 r 3
E1 r
E2
电荷体密度：
3 Q
4 R3 3
D 0 r E
取体积元 dV 4r2dr
在无外 正负电荷中心不重叠 正负电荷中心重叠 电场时 （水、有机玻璃等） （氢、甲烷、石蜡等）
2、电介质旳极化
——在外电场作用下，介质表面感生出束缚(极化) 电荷旳现象．
微观机制：
E
无极分子
E
0
0
-+
无外电场 有电场位移极化
有极分子
E 0
E
0F
E
1
+q ( p ql ) -q
F 2
lF 2
和束缚电荷
E0和E 叠加
共同产生
0
单独产生旳场强为
E0
σ0 ε0
0 0
E0
单独产生旳场强为 E σ
E
ε0
电介质物理》课件电介质的击穿
电击穿机制
电场作用下电介质击穿
在强电场的作用下，电介质内部的自由电子被加速，与晶格原子发生碰撞，导致 电子能量降低并产生新的电子-空穴对，这些新的电子-空穴对进一步与晶格原子 发生碰撞，产生更多的电子-空穴对，最终导致电介质击穿。
隧道效应
在强电场的作用下，电子通过隧道效应穿过势垒，形成导电通道，导致电介质击 穿。
03
影响电介质击穿的因素
电场强度
总结词
电场强度是影响电介质击穿的最主 要因素之一。
详细描述
随着电场强度的增加，电介质中的 电场会变得更强，导致电子更容易 获得足够的能量来克服电介质中的
束缚力，从而引发电介质击穿。
总结词
高电场强度下，电介质更容易发生 击穿。
详细描述
在强电场的作用下，电介质内部的 电子会被加速，获得足够能量后能 够克服电介质中的束缚力，形成导 电通道，导致电介质击穿。
03
热击穿
电击穿
冲击击穿
在强电场的作用下，电介质内部的热量积 累导致温度升高，当温度达到一定程度时 ，发生热击穿。
在强电场的作用下，电子获得足够的能量 ，直接导致电介质分子中的电子跃迁，形 成导电通道。
在雷电或操作过电压的作用下，电介质内 部的电流迅速增加，产生强烈的冲击波， 导致电介质瞬间击穿。
02
电介质物理》课件电介质的 击穿
目录
• 电介质击穿的基本概念 • 电介质击穿的物理机制 • 影响电介质击穿的因素 • 电介质击穿的预防与控制 • 电介质击穿的实验研究方法
01
电介质击穿的基本概念
定义与Байду номын сангаас性
01
02
定义
特性
电介质击穿是指电介质在强电场的作用下，丧失其绝缘性能的现象。
电介质物理基础复习
1、电介质分类：非极性电介质、极性电介质、离子性电介质2、电介质的极化：在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，出现宏观偶极矩，在介质表面出现束缚电荷的现象3、电子位移极化：电子云畸变引起的负电荷中心位移产生感应电矩，称电子位移极化4、离子位移极化：正负离子中心发生相对位移，发生感应电矩，称离子位移极化5、取向极化：固有电偶极矩沿外电场方向转向称取向极化，6、热离子极化：实际电介质，由于热运动，离子脱离平衡位置发生迁移，电场使已经脱离平衡位置的弱联系离子做定向迁移，造成电介质内部电荷分布不均，形成偶极矩，称为热离子极化7、空间电荷极化或夹层极化、界面极化：电介质中的电荷在不同介质的界面上积聚，形成空间电荷局部积累，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极化、界面极化8、固有偶极矩的取向极化：当有外电场时，这些固有偶极矩将趋于转向沿外电场方向排列。
因固有偶极矩转向而在介质中产生宏观偶极矩，这种现象称为固有偶极矩的取向极化9、为什么宏观电场强度E 和有效电场Ei 不相等？答：1、在外电场的作用下电介质发生电极化，整个介质出现宏观电场2、电介质中的某一点的宏观电场E，是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化分子形成的偶极矩，共同在该点产生的电场3、作用在每个分子或原子上实质极化的有效电场（内电场）显然不包括该分子或原子自身极化所产生的电场。
4、比如：平行板电容器1011、电介质的极化包括弹性位移极化和弛豫极化。
弹性位移极化：电子弹性位移极化和离子位移极化，这两种极化的时间非常短，与温度的依赖关系不大弛豫极化：固有电矩的取向极化和热离子极化、缺陷偶极矩的取向极化（又称界面极化），固有电矩的取向极化与热平衡性质（温度）有关，缺陷偶极矩的取向极化与电荷的堆积过程有关，需要很长弛豫时间，称弛豫极化12、弛豫时间：电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到极化平衡需要一定的时间，这个时间称弛豫时间13、瞬时极化：电子弹性位移极化和离子弹性位移极化达到稳态所需时间约10-16-10-12 s，在远低于光频情况下可认为是即时的，因此弹性极化也称瞬时极化或无惯性极化。
电介质四个大类物理现象
电介质四个大类物理现象
电介质是一种在电场中能够发生极化现象的物质。
电介质的四个大类物理现象包括：
1. 极化现象，当电介质置于外电场中时，其分子或原子会发生极化现象，即在电场的作用下，正负电荷分离，形成电偶极矩。
这种极化现象是电介质的基本特征之一。
2. 介质击穿，当电场强度达到一定数值时，电介质会发生击穿现象，即电介质内部的电阻突然减小，导致电流急剧增大，这种现象常常伴随着放电和火花的产生。
3. 介质损耗，在交流电场中，电介质会因为分子或原子在电场中的周期性运动而产生能量损耗，这种损耗称为介质损耗。
介质损耗会导致电介质加热，并且会影响电介质的电学性能。
4. 介质弛豫，当外电场发生变化时，电介质内部的极化现象不会立即跟随电场的变化而变化，而是有一定的滞后时间。
这种现象称为介质弛豫，其时间常数取决于电介质的性质和温度等因素。
以上是电介质的四个大类物理现象，它们展现了电介质在电场中的复杂而丰富的行为。
电介质物理_徐卓、李盛涛-第六讲(Onsager有效电场)详解
Onsager成功地解释了Mossotti灾难不可能出现的原因。但他的 模型过于简单，忽略了极性分子与近邻的强烈作用而引起的各种 复杂的排列规律，将理论结果用于定量计算是将会引起较大误差。
Onsager方程
方向，使其拉伸
Onsager有效电场
（0
e gE）（1 e
f）
总有效偶极矩（固有+感生）
故Onsager有效电场
Ee
gE
f 1 1e f
gE
f
1 f
0
Onsager有效电场
1e f
3(n2 2 r ) (2 r 1)(n2 2)
对于非极性液体
0 0
0
eEe
eEe
exp( 'Ec cos )sin d
0
KT
KT
Onsager方程
'L( 'Ec )
KT
为郎之万函数，当 'E0
KT
时
'L( 'Ec ) ' Ec
KT 3KT
' '2 Ec '2 3 r E 3KT 3KT 2 r 1
" 与
Ec
同向，其平均值， "
"
Onsager方程
E
'
"
是极极矩性在分0子方的向总的有分效量偶
极性分子相对外电场E作用 的有效感生极化偶极矩
Onsager方程
"
1E
1
3 0 r (n2 1) n0 (n2 2 r )
相当于极性分子在外电场 E作用下的有效极化率
Onsager方程
该极性分子在有效电场作用下的转矩
电介质物理_李翰如
李波
电子科技大学 微电子与固体电子学院
第一章 电介质的极化
1.1 静电学基本定律 1.2 介电常数与介质极化 1.3 有效内电场（Ei） 1.3 克劳修斯-莫索缔方程 1.4 翁萨格有效电场 1.5 电子位移极化 1.6 离子位移极化 1.7 转向极化 1.8 热离子极化 1.9 空间电荷极化 1.10 离子晶体电介质
−
1 R2
⎟⎟⎠⎞
C
=
Q V
=
4πε0ε r
R1R2 R2 − R1
15
（2）电容器的电容计算
③ 柱形电容器
设单位长度带电量为 q = Q L
在两极板之间 R1 < r < R2
-Q +Q
L
R1
E= q 2πε0ε rr
R2
∫ ∫ V = R2 Edr = R2 q dr = q ln R2
R1
R1 2πε0ε r r
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
C0
=
Q0 V
=
σ0S V
+
⊕Θ
-
⊕Θ
+
-
⊕
+
Θ
εr
⊕
Θ
-
⊕
+
Θ
⊕ Θ-
+⊕ Θ
⊕ Θ-
Q = Q0 + Q′ σ =σ0 +σ′
C = Q = Q0 + Q′ VV
C = (σ 0 + σ ′)S
V
(σ 0 + σ ′)S
ε=C = C0
电介质物理基础知识
电介质物理基础知识电介质物理啊，这可是个很有趣的领域呢。
咱们就从最基本的说起吧。
电介质啊，就好比是一群很守规矩的小居民。
在普通的物质里，它们可不像那些调皮捣蛋的自由电子到处乱跑。
电介质里的电子啊，就像是被家长管得很严的小孩子，只能在自己的小范围内活动。
你想啊，要是把物质比作一个大社区，导体里的电子就像是那些满大街乱窜的小毛孩，而电介质里的电子呢，就乖乖地待在自己的小院子里。
那电介质的极化又是怎么回事呢？这就像是一群本来站得比较松散的小居民，突然来了一个指挥官（外电场）。
这个指挥官一出现，小居民们就开始按照一定的方向排队了。
有的电介质呢，是那种比较听话的，电子云中心和原子核中心稍微错开一点，就像是队伍稍微歪了一点点，这就是电子位移极化。
还有一种呢，就像是一些小家庭（分子）整个地转了个方向，这就是取向极化啦。
你看，这多像我们生活中的场景啊，一群人在某种指挥下改变自己的状态。
介电常数这个概念也很重要哦。
它就像是电介质的一个性格标签。
这个数值越大，就说明这个电介质在电场里的表现越特别。
比如说，空气的介电常数比较小，就像一个比较普通的人，没什么特别的反应。
而水的介电常数比较大，就像是一个特别敏感的人，电场一来，它的反应就比较强烈。
电介质在电容器里可有着大作用呢。
电容器就像是一个小仓库，用来储存电荷。
电介质在这个小仓库里啊，就像是仓库里的隔板。
有了这个隔板啊，电容器就能储存更多的电荷了。
如果没有电介质，就好比这个仓库没有隔板，电荷就会乱跑，能储存的电量就少多了。
再说说电介质的损耗吧。
这就像是电介质在电场里干活，干着干着就有点累了，然后就会消耗一些能量。
有些电介质损耗小，就像那些精力旺盛的小伙子，能长时间在电场里好好工作。
而有些电介质损耗大呢，就像是体弱多病的人，干不了多久就不行了。
电介质的击穿现象可就有点吓人了。
这就好比是电介质在电场的压力下突然崩溃了。
本来好好的，但是电场太强了，就像洪水冲破了堤坝一样，电介质的绝缘性就没了。
大学物理_4静电场中的电介质
S
i
自由电荷
各向同性 线性介质
P 0r 1E
D 0r E E 介质方程
r 0 称介质的介电常数（电容率）
在 斯具 定有 理某出种发对解称出性D的情况下，可以首先由高
即 D E P q
说明：
1.电位移在闭合面上的通量只和闭合面内的自
第十五章 静电场中的电介质
（Dielectric In Electrostatic Field）
§15.1 电介质对电场的影响 §15.2 电介质的极化 §15.3 D的高斯定律 §15.4 电容器及其电容 §15.5 电容器的能量
§15.1 电介质对电场的影响 电介质的特点：无自由电荷，不导电。 电场中置入各向同性均匀电介质时的影响
定义 C Q 单位:法拉 F
U
电容只与几何因素和介质有关 固有的容电本领
【例1】求真空中孤立导体球的电容
解：设球带电为 Q
导体球电势 U Q
4 0 R
导体球电容 C Q
U
4 0 R
问题
欲得到 1F的电容, 孤立导体球的半径R
由孤立导体球电容公式知
R
1
4 0
9109 m
R3
4π 0r 2
(r (r
R) R)
q2r2
we
0E2
2
32π2
q2
0
R
6
32π2 0 r 4
(r R) (r R)
静电能：We
V wedV
0
we
4πr
2dr
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第二章变化电场中的电介质2-1 什么是瞬时极化、缓慢极化？它们所对应的微观机制代表什么？极化对电场响应的各种情况分别对何种极化有贡献？答案略2-2 何谓缓慢极化电流？研究它有何意义？在实验中如何区分自由电荷、束缚电荷随产生的传到电流？答案略2-3 何谓时域响应、频域响应？两者的关系如何？对材料研究而言，时域、频域的分析各由什么优缺点？答案略2-4 已知某材料的极化弛豫函数f(t)=1τe-t/τ，同时材料有自由电荷传导，其电导率为γ，求该材料的介质损耗角正切tgδ。
解：由弛豫函数 f(t)=1τe-t/τ可知德拜模型极化损耗tgδP，漏导损耗tgδG如果交变电场的频率为ω；则tgδP=(εs-ε∞)ωτ 22εs+ε∞ϖτtgδG=ε-εγ1(+s2∞2) ωε0ε∞1+ωτ该材料的介质损耗正切为：tgδ=tgδP+tgδG2-5 在一平板介质（厚度为d，面积为S）上加一恒定电压V，得到通过介质的总电流为I=α+βe-Vt,已知介质的光频介电常数为ε∞，求单位体积内的介质损耗、自由电子的电导损耗、极化弛豫与时间的关系。
若施加频率为ω的交变电场，其值又为多 23少？并求出介质极化弛豫函数f（t）。
解：在电场的作用下（恒场）介质中的功率损耗即为介质损耗电功 dA=Vdq=VI(t)dtA=⎰VI(t)dt=⎰(α+βe-Vt)Vdt=αVt+β(1-e-Vt) 00tt∂A=αV+βVe-Vt=I(t)V ∂tW1=(αV+βVe-Vt) 单位体积中的介电损耗：w=dsdsαV 自由电子电导损耗： w1= dsβV-Vte 极化弛豫损耗：wα=ds W=电导率：R=ρdVsV,I0=α== , sRρd电流：I=α+βe-Vt其中IR=α为传导电流Ir=βe-Vt为极化电流dQrd(sσr)dP==sr dtdtdtdP(ε-ε∞)ε0E0-t/τe r=sdtτ(ε-ε∞)ε0E0-t/τe=βe-Vt 故 Ir=s 另一方面 Ir=τ有τ=1V,E=,(εs-ε∞)ε0sV2=βd Vdεs=ε∞+βdε0sV2因而，加交变电场w 时：(εs-ε∞) 221+ωτ(ε-ε∞)ωτ''1=s 极化损耗：εr 221+ωτ'=ε∞+ εr24''2= 电导损耗：εrγαd=ωε0ε0ωsV(εs-ε∞)ε0ω2τV212''1E= 单位体积中的极化损耗功率：Wr=ωε0εr 22222d(1+ωτ) 单位体积中的电导损耗功率：WG= W=Wr+WG 弛豫函数：f=2-6 1Vαdsτe-t/τ=Ve-Vt1若介质极化弛豫函数f(t)=τe-t/τ，电导率为γ，其上施加电场E(t)=0 (t<0);E(t)=at (t>0 , a为常数) 求通过介质的电流密度。
解：已知：f=1τe-t/τtD(T)=ε0ε∞E(T)+ε0(εs-ε∞)⎰f(t-x)E(x)dx=ε0ε∞αt+ε0(εs-ε∞)α⎰t1τe-(t-x)/τxdx=ε0ε∞αt+ε0(εs-ε∞)α(t-τ+τe-t/τ) =ε0ε∞αt+ε0(εs-ε∞)ατ(e-t/τ-1) j(t)=2-7dD(t)+γE(t)=ε0ε∞α+ε0(εs-ε∞)αe-t/τ+γαt dt求德拜弛豫方程中ε''吸收峰的半高宽？ε''吸收峰高为多少？出现在什么频率点上？ε''吸收峰中（以半高宽为范围）ε'的变化为多少？占ε'总变化量的百分之几？''dεr11''ax=(εs-ε∞) =0可得ωm= εmτ2dω(ε-ε∞)ωτ11''ax=(εs-ε∞)=s 半高ε''(ω)=εm 22241+ωτ1可以解得ωτ=2±3,ω=(2±3)解：令τ123 半高宽∇ω=ω=[2+3-(2-3)]=ττ25由于ε'=ε∞+(εs-ε∞) 221+ωτ在ε''吸收峰的半高宽范围，ε'的变化11 ∆ε'=ε'[(2+)]-ε'[(2-)] ττ=(εs-ε∞)1+(2+)2-(εs-ε∞)1+(2-)2=0.866(εs-ε∞)ε'的总变化量(ε'(0)-ε'(∞)=εs-ε∞ε'占总变化量的百分数 86.6%2－8 试对德拜方程加以变化，说明如何通过ε''(ω)，ε'(ω)的测量，最后确定弛豫时间。
解：在ε''极大值处ωm=ε'=1τ 11''ax=(εs-ε∞) (εs+ε∞) εm2211(εs+ε∞)时，对应ωm求τ= 2ωm11(εs-ε∞)时对应ωm求弛豫时间：τ= 2ωm 测量ε'~ω曲线测ε'=''ax= 测量ε''~ω曲线测εm另εr'-ε∞ε'''ωτ1 , ==εs-ε∞1+ω2τ2εs-ε∞1+ω2τ2"' 所以εr=ωτ(εr-ε∞), τ=εr''ω(εr'-ε∞)εr''', 且ω→∞时，εr→εs 所以ω→∞时，很大，τ=ω(εs-ε∞) 可以求的τ2－9 已知一极性电介质具有单弛豫时间，为了确定这一弛豫时间τ，对其ε''在一定的频率范围内进行测量（在一定的温度下），结果表明τ所对应的频率远高于所用的频率，证明得到的ε''地变化满足形式26ε''=(l-M2f2)f 其中τ2=M 4π2l若介质具有明显的直流电导，若介质没有明显的直流电导，ε'' 与f的变化关系记成对数形式更有用，为什么？解：已知τ2=M2/4π2l , ω=2πfωτ<<1 ,1221+ωτ(ε-ε∞)ωτ22=(ε-ε)ωτ(1-ωτ) ε''(ω)=ss∞221+ωτ≈1-ω2τ2 =2π(εs-ε∞)τf(1-4π2f2τ2)=2π(εs-ε∞)τf(1-M2f2/l) =2π(εs-ε∞)τ(l-M2f2)f l令2π(εs-ε∞)τ=l即ε''(ω)=(l-Mf2)f如果介质有明显的直流电导ε''(ω)=当ωτ<<1 时，漏导损耗ε''~1(εs-ε∞)ωτγ +22ε0ω1+ωτω 可以用ε''~lnf或者ε''~lnω 作图2-10 一个以极性电介质（单弛豫）制作的电容器，在上施加一正弦交变电压，试写出热损耗对频率的函数。
并证明在ε''极大值对应的频率下损耗为其极大值得一半。
试问能否用上面的结果作实际测量，以确定弛豫时间τ？ε0(εs-ε∞)ω2τ2 解：单位体积中的介质损耗功率w=γE+gE=(γ+)E 222(1+ωτ)22g为电容器中的介质在交变电场下的等效电导率，γ为介质电导率E 为宏观平均电场强度的有效值当ω=0的时候，wmin=γE2当ω→∞的时候,wmax=[γ+11ε0(εs-ε∞)]E2≈ε0(εs-ε∞)E2 2τ2τ271(εs-ε∞) 高频下由于漏导很小τ2111ε0(εs-ε∞)E2=wmax w=[γ+ε0(εs-ε∞)]E2≈4τ4τ2''ax 时，ωm= εm1'max= ，εr不能确定弛豫时间τ 因为忽略了介质中的漏导损耗 2－11 已知电介质静态介电常数εs=4.5，折射率n=1.48，温度 t1=25oC时，极化弛豫时间常数τ1=1.60⨯10-3s，t2=125oC时τ2=6.5⨯10-6s。
"（1）分别求出温度t1、t2下(εr)max的极值频率fm1，fm2以及'1,fm'2. (tgδ)max的极值频率fm"'，εr'，εr'' (2)分别求出在以上极值频率下εr，(tgδ)，εrmax，(tgδ)max。
'，εr'' ，tgδ。
（3）分别求出250C,50Hz,106Hz时的εr （4）从这些结果可以得出什么结论？（5）求该电介质极化粒子的活化能U（设该电介质为单弛弛豫时间）。
解：εs=4.5 ,n =1.48 , ε∞=n2=2.2, ω=2πf （1）ωm1=1=6251f==100Hz , =625m1-32π1.6⨯10τ1ωm21.5⨯105145f==3.3⨯10Hz ,===1.5⨯10m1-62πτ26.5⨯101(tgδ)max 时的，ωm1=1τεsε∞4.5'1=142HZ ， fm=8942.24.5'2=3.3⨯104HZ =2.1⨯105 fm2.2ωm1=1τ11εs1=ε∞1.6⨯10-3s1=ε∞6.5⨯10-6ωm2=τ228（2）在极值频率下：ω=ωm 11(εs+ε∞)=(4.5+2.2)=3.35 2211''max=(εs-ε∞)=(4.5-2.2)=1.15 εr22'= εrtgδ=''εmaxε-ε∞1.15=s==0.34 'εrεs+ε∞3.35' ω=ωm'= εr2εsε∞2⨯4.5⨯2.2==2.96 εs+ε∞4.5+2.2''= εrεs-ε∞4.5-2.2sε∞=4.5⨯2.2=1.07 εs+ε∞4.5+2.2tgδ=εs-ε∞4.5-2.2==0.37 2sε∞24.5⨯2.2（3）T=25oC ,f1=50HZ , τ1=1.6⨯10-3 ,ω1=2πf1=314τ1ω1=0.5 (εs-ε∞)4.5-2.2=2.2+=4.04 1+0.251+ω2τ2(ε-ε∞)ωτ(4.5-2.2)*0.5''(ω1)=s==0.92 εr221+0.251+ωτ'(ω1)=ε∞+ εrtgδ(ω1)=''(ω1)0.92εr==0.23 '(ω1)4.04εr f2=106Hz , ω2=2πf2=6.28⨯106 , τ1ω2=10-3 '(ω2)=ε∞+εr(εs-ε∞)4.5-2.2=2.2+=4.5 1+ω2τ21+10-6(εs-ε∞)ωτ(4.5-2.2)*10-3-3''(ω2)===2.3⨯10 εr 22-61+ωτ1+10εr''(ω2)2.3⨯10-3tgδ(ω2)===5⨯10-4 εr'(ω2)4.5''max （4）温度越高，极化弛豫时间越小，εr极值频率越大29'大于εr''max (tgδ)max的频率ωm 频率ωm(5) τ=1u/kTe2υ0τ1=1u/kT21u/kT1, τ2= ee2υ02υ0uu; lnτ2=-ln2υ0+kT2kT1lnτ1=-ln2υ0+u=kT1T2(lnτ1-lnτ2)=0.56evT1-T2该极化粒子的极化能U为 0.56ev2－12 某极性电介质εs=10，ε∞=2.5，在某一温度下τ=10-3s，求其分别在频率为f=50Hz,100Hz交变电压作用下，电容器消耗的全部有功、无功电能中有多少被转化为热量。