电子位移极化
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无机材料物理性能
第十九讲
2018年10月4日
第六章
概述
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。
通常是指电阻率大于1010· cm的一类在电场中以感应 而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。
陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、
电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如： 具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的 电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用 前景。
极化的物理量
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。表征材料的 极化能力 ( 法. 米2)
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为 极化强度，用P表示。或束缚电荷的面密度。 ( 库. 米2)
极化的物理量
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
+ + + + + + + + －－－
E1
E3
+++
E2
E外
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球 外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介 质小得多。
介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分： 球外介质的作用E1 ＋E2和球内介质的作用E3
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电 荷间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩 的方向与外电场的方向一致。
介质的极化 极化现象 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－ － － － － － － + － + － + － + + + － － － + － + － + － + + + － + － + － + + －
E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其 值由晶体结构决定，已证明，球体中具 有立方对称的参考点位置，如果所有原 子都可以用平行的点型偶极子来代替， 则E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据 得
D= o E+P P =D－ o E=（ 1－ o ） E = o （ r－ 1） E 由 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o =E+ o （ r－ 1） /3o 得 Eloc=（ r +2）E/3 设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又 有 P= n =nEloc 得 （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） 上式为克劳修斯-莫索蒂方程
球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外 的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹 场） E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。 E1的计算：
对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场： 由 P= Q1 /A= oE1
得： E1 = P / o
洛伦兹场E2的计算：
rsin P
真空
E
+ +
+
+
自由电荷
+ － 偶极子
束缚电荷
电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
无机材料的介电性能
电介质指在电场作用下，能建立极化的一切 物质 介质的极化指电介质在电场作用下产生感应 电荷的现象
0真空介电常数8.8510-12 介质的介电常数 r相对介电常数
介质的极化
极化现象及其物理量
极化就是介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷重心的分离。
由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q) 所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示
电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介
电强度。
目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率
范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。
无机材料与有机塑料比较：
有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下， 塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可 缺少的部分。
构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
－ － － － － － － E1 + + + + + + + 外加电场E外 + + +
－Fra Baidu bibliotek
+
－
－
－
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3 周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。 对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。 对于固体介质，周围介质 的极化作用对作用于特定 质点上的局部电场有影响。
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
• P与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
极化的物理量
宏观电场E
一、是外加电场； 二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和
原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
克劳修斯-莫索蒂方程 外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。 1 . 宏观电场： 即极板上的所有电荷所产生）
－
O
d
r
+
空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF： dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o
第十九讲
2018年10月4日
第六章
概述
电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。
通常是指电阻率大于1010· cm的一类在电场中以感应 而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。
陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、
电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如： 具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的 电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用 前景。
极化的物理量
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。表征材料的 极化能力 ( 法. 米2)
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为 极化强度，用P表示。或束缚电荷的面密度。 ( 库. 米2)
极化的物理量
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
+ + + + + + + + －－－
E1
E3
+++
E2
E外
－－－－－－－
作用于介质中质点的内电场
假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球 外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介 质小得多。
介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分： 球外介质的作用E1 ＋E2和球内介质的作用E3
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电 荷间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
电偶极矩的方向：负电荷指向正电荷。电偶极矩 的方向与外电场的方向一致。
介质的极化 极化现象 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－ － － － － － － + － + － + － + + + － － － + － + － + － + + + － + － + － + + －
E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其 值由晶体结构决定，已证明，球体中具 有立方对称的参考点位置，如果所有原 子都可以用平行的点型偶极子来代替， 则E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o
克劳修斯一莫索蒂方程
根据 得
D= o E+P P =D－ o E=（ 1－ o ） E = o （ r－ 1） E 由 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o =E+ o （ r－ 1） /3o 得 Eloc=（ r +2）E/3 设介质单位体积中的极化质点数等于n，则又 有 P= n =nEloc 得 （ r －1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） 上式为克劳修斯-莫索蒂方程
球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外 的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹 场） E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。 E1的计算：
对于平板其值为束缚电荷在无介质存在时形成的电场： 由 P= Q1 /A= oE1
得： E1 = P / o
洛伦兹场E2的计算：
rsin P
真空
E
+ +
+
+
自由电荷
+ － 偶极子
束缚电荷
电极化：在外电场作用下，介质内的质点（原 子、分子、离子）正负电荷重心的分离，使其 转变成偶极子的过程。 或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电 流，只能产生微观尺度的相对位移并使其转变 成偶极子的过程。 偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
无机材料的介电性能
电介质指在电场作用下，能建立极化的一切 物质 介质的极化指电介质在电场作用下产生感应 电荷的现象
0真空介电常数8.8510-12 介质的介电常数 r相对介电常数
介质的极化
极化现象及其物理量
极化就是介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷重心的分离。
由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q) 所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示
电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介
电强度。
目前的发展方向：新型器件的研制、提高使用频率
范围、扩大环境条件范围，特别是温度范围。
无机材料与有机塑料比较：
有机塑料: 便宜、易制成更精确的尺寸； 无机材料: 具有优良的电性能; 室温时在应力作用下，无蠕变或形变; 有较大的抵抗环境变化能力（特别是在高温下， 塑料常会氧化、气化或分解）; 能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可 缺少的部分。
构成物体的所有质点电荷的电场之和E1 （退极化电场，即由材料表面感应的电荷所产生） E宏 =E外+E1
－ － － － － － － E1 + + + + + + + 外加电场E外 + + +
－Fra Baidu bibliotek
+
－
－
－
2 . 原子位置上的局部电场Eloc （有效电场） Eloc=E外+E1+E2+E3 周围介质的极化作用对作用 于特定质点上的电场贡献。 对于气体质点，其质点间 的相互作用可以忽略，局 部电场与外电场相同。 对于固体介质，周围介质 的极化作用对作用于特定 质点上的局部电场有影响。
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
• P与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
极化的物理量
宏观电场E
一、是外加电场； 二、是构成物体的所有质点电荷的电场之和
原子位置上的局部电场Eloc ( 有效电场)
克劳修斯-莫索蒂方程 外加电场E外(物体外部固定电荷所产生。 1 . 宏观电场： 即极板上的所有电荷所产生）
－
O
d
r
+
空腔表面上的电荷密度： －P cos 绿环所对应的微小环球面的表面积dS:
dS=2rsin rd
dS面上的电荷为： dq= －P cosdS
根据库仑定律：dS面上的电荷作用在球心单位正电 荷上的P方向分力dF： dF= －（－PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1×E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsind)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整个空心球面上的电荷在O点产生的电场为： dE由0到的积分 洛伦兹场E2 ： E2 = P /3o