介质的电极化
介质的极化和介电常数
介质的极化和介电常数介质是指具有一定的电导率、介电常数、介磁常数和磁导率的物质，因此，在电磁学中，介质起着非常重要的作用。
介质的极化和介电常数是介质的两个重要性质，对于了解介质的性质和在电磁学应用中起着非常重要的作用。
一、介质的极化介质的极化是指当电场作用于介质时，介质中的分子或离子会发生定向排列，使得介质不再是电中性的状态。
介质中正负电荷的分离称为极化。
1.取向极化介质中的分子或离子具有磁矩或偶极矩，当外加电场作用时，它们会在外力的作用下发生旋转，并与电场方向调整一致而产生极化。
这种极化称为取向极化，它是介电常数与频率有关的一个主要因素。
2.电子云极化电子具有电荷，它在外电场作用下会产生势能，电子云会向外扩散，然后与电场相反的方向移动，形成极化电荷。
因为电子云的大小不一，电子云极化是介电常数与频率有关的另一个重要影响。
3.离子极化在某些情况下，例如在液态和熔融状态下，介质分子可以发生电离或掉电子，从而产生离子极化。
离子极化主要与介质的物理状态、化学结构和温度有关。
二、介电常数介电常数是介质在外电场作用下对电荷的电场力的响应能力的一种量度。
它反映了介质的电介质性质，是比电常数的函数。
介电常数在多种电磁学应用中都有它的功能，例如极板电容器、电场探测器、能量储存设备等。
它的理论计算通过一些基本理论可以求解，例如连续性方程、功率定理、闭合波导等。
综上所述，介质的极化和介电常数是介质电磁性质中的两个基本分支。
极化是介质对电场响应的一种体现，介电常数则对介质电场作用的响应能力进行定量描述，两种性质在相互联系、相互作用的基础上，共同组成了介质电介质学这个广泛应用的分支。
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
10
总度结矢：量在P和外电电介场质E的0作形用状下决，定电了介极质化发电生荷极的化面；密极度化强，
而场各物E理又，量激而的发总关附电加场E电0又场决E定，着pE极又化影强响度电矢介量质内P部。Pn的总电
系如下：
EE0E' 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。
计规律。
在外电场中，在有极分子电介
质表面出现极化电荷，
E 0 F
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。
代替电介质对电 场的影响。
在外电场
E
中，介质极化产生的束
0
缚部电都荷产， 生在 附其 加周 电围 场无E论'，介称质为内退部极还化是场外。
' '
退极化场
任一点的总场强为： EE0E'
注意：决定介质极化的不是原来的场
际的 场 E。
E
而是介质内实
0
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。
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
1.介质中的高斯定理
真空中的高斯定理 SE0dS
q0
介质的电极化率
介质的电极化率
在电磁学里，电介质因响应外电场的施加而极化的程度，可以用电极化率（electric susceptibility，）来衡量。
电极化率又可以用来计算物质的电容率。
因此，电极化率会影响这物质内各种其它可能发生的现象，像电容器的电容、光波传播于物质内部的光速等等。
描述电介质极化性质的物理量。
一个无量纲的纯数。
有些电介质的P和E 呈现出复杂的非线性关系，类似于磁滞回线，称为电滞回线，这种性质称为铁电性，如酒石酸钾钠，钛酸钡等铁电体。
铁电性一般只存在于一定温度范围内，当温度超过临界的居里温度时，铁电性随之消失。
有些晶体材料如水晶等的极化各向异性，P 和 E 的关系很复杂，其电极化率是一个二阶张量。
用符号χe表示，χe与相对电容率εr的关系为εr=1+χe。
一般而言，物质无法为了要响应一个含时外电场的变化而瞬时地电极化。
因此，更广义的表述必须将时间纳入考量：那就是，电极化是先前时间的电场与含时电极化率的折积。
假设每当时，，则这积分的上限可以延伸至无穷大：瞬时的响应对应于狄拉克δ函数电极化率。
对于一个线性系统，可以简单地做一个傅里叶变换，将这关系式写为频率的函数：这结果是折积定理的一个范例。
电极化率的相依于频率导致电容率的相依于频率。
电极化率
随着频率而变化的曲线的样子描绘出物质的色散性质。
更加地，由于因果关系，电极化只能相依于先前时间的电场（也就是说，每当时，设定）。
这事实迫使电极化率必须遵守克拉莫-克若尼约束。
电介质中的极化现象与介电常数
电介质中的极化现象与介电常数电介质是一种能将电场中的电荷正负离子重新分布的材料，当电介质置于外加电场中时，其内部的正负离子会发生极化现象，使介质中产生一个与外加电场方向相反但大小相同的极化电场。
这个极化过程是由于正负离子在电场作用下移动所引起的。
本文将讨论电介质中的极化现象与介电常数。
一、极化现象的机理在电介质中，正负离子之间存在有电相互作用，当外加电场作用于电介质时，电场力会将正负离子向相反方向移动，这种离子移动产生了两种电极化现象：取向极化和电荷极化。
1. 取向极化取向极化主要指的是电介质中的分子在电场作用下，由于自发定向而出现极化现象。
电场力可以使分子的正极和负极重新排序，使得整个电介质的正极和负极方向与外加电场方向相反，从而形成一个与外加电场方向相反但大小相同的极化电场。
2. 电荷极化电荷极化是由电介质中的正负离子在电场作用下发生移动而产生的。
正离子会向电场方向移动，而负离子则向相反的方向移动，导致电介质中产生一个内部电场，与外加电场方向相反。
二、介电常数的概念介电常数是反映电介质中电极化程度的物理量，用ε或ε_r表示。
它定义为电介质中产生的电场强度与外加电场强度之比。
介电常数越大，说明电介质在外加电场下电极化程度越高。
介电常数既可以是常数，也可以是频率相关的量。
对于静态或低频区域，介电常数是常数，而在高频区域，介电常数则会随频率的增加而变化。
三、介电常数的影响因素介电常数的大小受到多个因素的影响，以下是其中几个主要因素：1. 分子结构和极性分子结构和极性对电介质的介电常数有重要影响。
极性分子的电介质通常具有较高的介电常数，因为极性分子能更容易受到电场的影响，形成较强的极化。
2. 温度介电常数通常随着温度的升高而减小。
这是因为温度的升高会增加电介质中分子的热运动，使分子难以保持定向，从而降低电介质的极化程度。
3. 频率介电常数在不同频率下也会有所不同。
在高频区域，极化过程会受到分子间相互作用和电场反向作用的影响，导致介电常数的变化。
电介质的极化规律
电介质的极化规律
1.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。
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。
《高电压技术》 —— 电介质的极化
在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性随电场方向改变的现象称为电介质的极化。
或者表示为，无论何种结构的电介质，在没有外电场作用时，电介质整体上对外没有极性，在外电场作用下，电介质对外呈现极性的过程。
电介质极化的基本类型包括：电子位移极化（电子式）、离子位移极化（离子式）、转向极化（偶极子式）、空间电荷极化（夹层式）四种类型。
1.电子位移极化（电子式）在外电场的作用下，介质原子中的电子运动轨道变形而出现感应电矩。
2.离子位移极化（离子式）在由离子键结合成的介质内，在外电场的作用下，除了各离子内部产生电子式极化外，还产生正、负离子相对位移而形成的极化称为离子式极化。
当没有外电场时，各正负离子对构成的偶极距彼此相消，合成电距为零；加上外电场后，所有的正负离子对构成的偶极距不再完全相消，形成一定的合成电距。
完成离子式极化所需时间约为10-13～10-12 s，有极微量的能量损耗，与电源频率几乎无关，温度升高时，电介质体积膨胀使离子间的距离增大，离子间相互作用的弹性力减弱，故离子极化率随温度的升高而略有增大。
3.转向极化（偶极子式）在外电场的作用下，极性分子的偶极子沿电场方向转动，作较有规则的排列，而显出极性。
偶极子式极化的建立需要较长时间，约为10-10～10-2 s，甚至更长。
有能量损耗，与电源频率和周围温度有关。
当电场交变频率提高时，极化可能跟不上电场的变化，从而使极化率减小。
4.空间电荷极化（夹层式）夹层式极化是最常见的一种空间电荷极化形式。
由多种介质组成的绝缘结构，在加上外电场后带电质点在介质分界面上堆积，造成电荷在介质空间新的分布，产生电矩。
如电缆、电容器、旋转电机、变压器、互感器、电抗器的绕组绝缘等，都是由多层电介质组成的。
夹层式极化过程是缓慢的，它的完成时间从几十分之一秒到几分钟甚至有长达几小时甚至更长。
因此，这种性质的极化只有在直流和低频交流电压下才能表现出来。
高频时，离子来不及移动，就很少有这种极化现象，故只有在低频时才有意义。
电介质的极化知识点
电介质的极化知识点电介质是一种具有不良导电性质的物质，能够在电场中极化，并且在极化过程中，电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
电介质的极化现象在电子学、物理学、化学等领域中具有重要的应用和理论意义。
本文将针对电介质的极化进行详细阐述，包括极化的概念、分类、极化机制等重要知识点。
一、极化的概念极化是指电介质在外加电场的作用下，内部发生的一种现象，即电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
当电介质处于无电场状态时，其内部的正负电荷呈均匀分布；而当外加电场存在时，正负电荷会发生位移，并在电介质两端形成极化电荷。
二、电介质的极化分类根据电介质极化的性质和机制，可以将电介质的极化分为以下几种类型：1. 电子极化电子极化是指电子在电场作用下发生位移，从而使得电介质发生偶极矩的现象。
在电子极化过程中，电子云相对于离子核的位移引起了正、负电荷的分离。
2. 离子极化离子极化是指电介质中的正、负离子在电场中发生位移，从而产生极化现象。
离子极化通常发生在电解质溶液中，当外加电场作用于电解质溶液时，正、负离子会向相反的方向运动，形成极化电荷。
3. 偶极子极化偶极子极化是指由于电介质内部存在着极性分子，这些极性分子在外加电场作用下，会使得电介质发生极化现象。
在偶极子极化过程中，极性分子的正负电荷偏移，从而形成极化电荷。
4. 空间电荷极化空间电荷极化是指电介质内部的自由电荷在电场作用下发生位移，从而形成极化电荷。
空间电荷极化通常发生在导体中，由于导体内部的自由电子可以自由运动，受到外加电场的作用，自由电荷会在导体表面积聚形成极化电荷。
三、电介质的极化机制电介质的极化机制决定了它在电场中的极化特性。
根据电介质的性质和结构，极化机制可以分为以下几种：1. 电子极化机制电子极化主要发生在电子绝缘体中，在外加电场的作用下，电子云发生位移，并与离子核产生相对位移，从而使电介质发生极化。
2. 离子极化机制离子极化机制主要发生在电解质溶液中。
电介质的极化与极化率的计算
电介质的极化与极化率的计算电介质是一类具有良好绝缘性能的材料，当电介质置于电场中时，它会产生极化现象。
电介质的极化与极化率是电学领域中一个重要的概念，通过极化率的计算可以了解电介质在电场中的响应情况。
1. 极化现象简介极化现象是电介质在外加电场作用下，各个原子、离子或分子发生重新排列，形成正负电荷分离的过程。
这种分离引起了电介质内部电位能的变化，使电介质内部发生极化现象。
2. 极化方式电介质的极化方式可以分为电子极化、离子极化和定向极化。
电子极化是由于电场的作用，电子云向电场方向移动而产生的极化。
离子极化是由于电场作用使正负离子分离而产生的极化。
定向极化则是在有外加电场的情况下，有序分子在电场中重新排列而产生的极化。
3. 极化率的定义极化率是用来描述电介质极化程度的物理量。
它是一个比例系数，用来衡量单位体积内电介质极化时所产生的电偶极矩与外加电场之间的关系。
极化率的单位是库仑/米（C/m²）。
4. 极化率的计算极化率可以通过以下公式来计算：P = ε₀χE其中，P是电介质的极化电偶极矩，ε₀是真空介电常数，χ是电介质的电极化率，E是外加电场的强度。
5. 极化率计算的影响因素电介质的极化率与其化学组成、晶体结构、温度等因素有关。
不同的材料具有不同的极化率，常见的电介质如氧化铝、石英等都有一定的极化率。
6. 极化率的应用极化率在电介质的性能研究、电容器和介质材料的选择等方面有着广泛的应用。
通过测量电介质的极化率，可以评估电介质的绝缘性能，为电子元件和电路的设计提供依据。
7. 极化率与介电常数的关系介电常数是描述电介质在电场中的性质的物理量。
它与极化率之间存在如下关系：ε = ε₀(1 + χ)其中，ε是介电常数，ε₀是真空介电常数，χ是极化率。
介电常数是电介质对电场的响应能力的度量，也可以通过极化率来计算。
总结起来，电介质的极化与极化率的计算是电学领域中重要的内容。
极化率提供了衡量电介质极化程度的指标，并广泛应用于电介质的性能研究与电路设计中。
电介质极化
电介质极化
电介质极化是物理学中一个重要的概念，指的是在电场的作用下，电介质中的电荷分布发生变化，导致物质内部形成电偶极矩而出现极
化现象的过程。
这种现象在我们的日常生活中也随处可见，比如说电
容器、电子电路等设备，都需要利用电介质的极化性质才能正常运作。
下面让我们更加深入地了解电介质极化。
电介质极化的原理可以通过研究宏观电荷体系得到：当电介质体
系中有正负电荷分布时，会出现电场，从而导致介质中原子或分子的
电子云被拉伸，让正负电荷分别分布在了介质的两端，形成了电偶极子。
这个过程就是电介质极化的实现过程。
电介质极化可以分为两种类型：电子极化和离子极化，其中电子
极化是由于电介质中的原子或分子电子云位移而形成的；而离子极化
则是由于电介质分子中的离子受到电场的作用而发生电荷分离所致。
电介质的极化性质在电学理论研究中发挥了不可忽视的作用。
通
过这种极化现象，我们可以建立起数学模型，来解释电介质内部的电
场分布特性、介质在交、直流电场中的响应特性、以及介质中信号传
输的能力等现象。
电介质极化还具有广泛的应用价值。
比如说，在电容器中，由于
电介质的极化作用，正负极板之间的电场会得到加强，从而实现对电
荷的储存；在通信技术领域中，也会使用电介质极化来实现信号检测
和处理等操作。
总之，电介质极化是电学领域中一个非常重要的概念。
了解电介质极化的原理和应用，对于我们更加深入地了解电学理论、掌握电学技术，具有十分重要的指导意义。
《电磁场理论》2.4 电介质的极化
± ± ±
(a )
1
2.电介质的极化
定义：这种在外电场作用下，电介质中出现有序排列的 电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象，称为电介质的 极化。
(1)无极分子的极化：位移极化
外加电场 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± (a ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ (b ) － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 外加电场
QP P dV
V
S
dS P
S
( P)dV P ndS
V
01:55
P ndS P ndS 0
S S
7
3)当极化强度 P 为常数时，称为均匀极化。均匀极化时介 质内部不出现体极化电荷，极化电荷只会出现在介质表面 上。均匀介质一般有 P 为常数，而真空中有 P 0 。 4)若极化媒质内存在自由电荷，则在自由电荷处一般存在 极化电荷。 5)两种介质分界面上的极化电荷
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
6
(r )
1 4 0
P
R
V
dV
1 4 0
P
S
R
dS
计算介质极化后所产生的电位： 1)将电介质从所研究的区域取走， 2)计算 P和 P ， 3)按计算自由电荷的电场的方法来计算极化电荷的电场。 说明： 1)极化电荷不能自由运动，也称为束缚电荷； 2)由电荷守恒定律，电介质内的总极化电荷为零；
Pn S R dS ]
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。
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式
电介质的四种极化方式是电子位移极化、离子位移极化、偶极子极化和空间电荷极化。
1、电子位移极化
一切电介质都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的，每个原子都是由带正电荷的原子核和围绕着原子核的带负电的电子构成的。
2、离子式极化
离子的极化由法扬斯首先提出。
离子极化指的是在离子化合物中，正、负离子的电子云分布在对方离子的电场作用下，发生变形的现象。
离子极化能对金属化合物性质产生影响。
3、偶极子极化
偶极子极化是指在电场作用下，组成介质的分子的固有偶极矩将沿着电场方向排列，所有偶极矩的矢量和不为零，介质产生宏观极化强度。
4、空间电荷极化
空间电荷极化常常发生在不均匀介质中，在外电场的作用下，不均匀电介质中的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，产生电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。
电介质中的电极化现象
电介质中的电极化现象电介质是电导率较低的物质，大多数是非金属的固体或液体。
电介质的一个重要特征是它们可以被电场极化，即在电介质中产生电荷分离，形成电偶极矩。
这种现象被称为电极化，它对于电介质的性质和应用有着重要影响。
一、电极化的机制电极化的机制有多种，其中最常见的是离子导电和电子极化。
离子导电是指当电介质中存在可离子化物质（如溶解的盐或酸）时，电场会引起离子的移动，从而导致电介质中的离子分布不均。
正离子向电场的负极移动，负离子向正极移动，产生电偶极矩。
这种电极化机制常见于液体中，比如盐水溶液。
电子极化是指电场导致电介质中原子或分子的电子云偏离其平衡位置，形成永久或瞬时的电偶极矩。
这种电极化机制广泛存在于固体和液体电介质中。
二、极化与介电常数介电常数是衡量电介质相对于真空的电容性能的物理常数。
它描述了电场在电介质中传播的速度，也反映了电介质的极化程度。
电极化会使电介质内部的电场减弱，增加电场强度下的电介质电容。
这是因为极化过程会生成相反方向的电荷分布，产生与外加电场相抵消的电场。
因此，电介质的介电常数大于1。
通过极化现象，电介质能够存储电荷和能量。
在某些应用中，为了提高电容器的电容性能，可以将电介质用作电容器的介质。
通过选择具有较高极化程度的电介质，可以获得更大的电容。
三、应用电介质的电极化现象在现代科技中有着广泛的应用。
下面几个领域是电极化现象常见的应用示例。
1. 电解质电池电解质电池是利用电介质中的离子导电机制来实现能量转化的装置。
典型的电解质电池包括铅酸电池和锂离子电池。
在这些电池中，电解质的极化现象是电池充放电过程的基础。
2. 电介质储能器电介质储能器是一种储存电能的设备，它利用电介质的极化来存储电荷。
储能器可以用于平衡或峰值削平电网上的能量需求，以及为移动设备和电动汽车等提供电源。
3. 电介质电压传感器电介质电压传感器是一种测量高电压或强电场的设备。
它利用电介质中的电极化现象来检测电势差并转换为信号输出。
电介质的极化
2、离子式极化
E=0
特点：
1）时间极短：10－12～10－13s
2）具有弹性；
3）损耗极小；
E
4）εr随温度升高而增大；
16.03.2021
第一章 电介质的极化、电导和损耗
3、转向极化（偶极子极化）
特点： 1）时间较长10－6～10－12 ； 2）没有弹性； 3）有损耗； 4） εr与温度有关
E=0
电介质的电气特性
❖1）极 化——————ε(介电常数） ❖2）电 导——————γ（电导率） ❖3）损 耗—————tgδ（介质损耗因数） ❖4）击穿电场强度———Eb（击穿场强）
16.03.2021
第一章 电介质的极化、电导和损耗
1.1 电介质的极化
❖介质在外电场的作用下,原来彼此中和 的正负电荷受电场静电力的作用,分别 朝着正负极板方向移动,但没有脱离它 们原来附着的质点,仍是束缚电荷。只 是在沿电场方向上产生了极小的﹑有 限的位移，形成了偶极子，这种现象 就是介质的极化。
16.03.2021
第一章 电介质的极化、电导和损耗
1、电子式极化
E
16.03.2021
第一章 电介质的极化、电导和损耗
电子式极化特点
❖1）时间极短：10－14～10－15s ； ❖2）具有弹性； ❖3）没有损耗；
❖4） εr随温度升高变化很小；
16.03.2021
第一章 电介质的极化、电导和损耗
(a)无外电场
E
-
+ +
-+ -+
-+ -+
-+ -+
-
+
+ -+ -+ -+ -
介质的电极化与介电常数的关系研究
介质的电极化与介电常数的关系研究在物理学中，介质是指能够存在电极化现象的物质。
电极化是指在作用电场下，原子或分子中的电荷发生重新分布的现象。
而介电常数则是描述介质对电场的响应能力的物理量。
介质的电极化与介电常数之间有着密切的关系，本文将探讨这两个概念之间的研究。
首先，我们需要了解电极化的基本原理。
当一个介质置于外加电场中时，介质的原子或分子会发生运动和重排，从而造成其内部电荷分布的改变。
其中，极化分为电子极化和离子极化两种类型。
电子极化是指介质的原子或分子内的电子在作用电场下发生移动，形成正负电荷偏离平衡位置的电偶极子。
而离子极化是指介质中的离子在电场的作用下发生移动，形成正负电荷偏离平衡位置的电偶极子。
这种电荷分布的改变就是电极化现象。
介电常数是描述介质对电场响应能力的物理量。
在一个均匀电场中，介质中的电场强度与外加电场强度之比即为介电常数。
介电常数可以量化介质在电场中的极化程度，即介质能够存储的电荷量大小。
介电常数越大，介质对电场的响应能力越强，能够存储的电荷量也就越大。
因此，介电常数与介质的电极化密切相关。
进一步研究发现，介质的电极化程度与介电常数之间存在着一定的关系。
根据电场强度与电位移的关系，我们可以得到电极化强度与电场强度的比值等于介电常数的一个常量。
这个常量被称为极化率，是描述介质电极化程度的物理量。
极化率越大，电极化程度越强，介质的电位移也就越大。
而根据电位移与极化电荷之间的关系，我们还可以得到介电常数与极化电荷之间的比值等于一个常数。
这个常数被称为单位体积极化电荷，它表示单位体积内的电荷极化程度。
单位体积极化电荷越大，介质的电极化程度也就越大，介质对电场的响应能力越强，介电常数也就越大。
通过上述的探讨，我们可以看出介质的电极化与介电常数之间密切相关。
介质的电极化程度越强，介电常数也越大。
而介质的极化程度与介电常数之间也存在一定的关系。
这种关系可以使用极化率和单位体积极化电荷这两个物理量来描述。
电介质的极化现象
电介质的极化现象极化现象是电介质中的重要现象，它是电学的基础，是理解电介质的性质和特性，将理论应用于实际电介质系统中的基础。
20世纪，极化现象的相关理论及其应用在现代电子技术中发挥着重要作用，因此，掌握有关电介质的极化现象及其特性非常重要。
极化现象是指电介质中空气、油和金属等物质，在施加外力作用时，电子由原来的静止状态或均衡状态发生移动，形成复合电荷或极化分布的现象。
电介质的极化现象的基本原理是，当外力作用于电介质中时，电介质中的电子会受到施加的外力作用作用而移动，产生极化分布，从而产生电荷强度和电场强度，即产生极化现象。
电介质的极化现象有三种类型：中性极化、静态极化和动态极化。
中性极化指当外力作用于电介质中时，电介质中的电子围绕朝着地点向外移动，形成中性极化分布，构成一个电荷层，形成介质体的电荷中心和电场中心，这种极化方式称为中性极化。
静态极化是指当外力作用于电介质中时，电介质中的电子一次性聚集介质体的任一端，从而形成介质体的极化和电场，这种极化方式称为静态极化。
动态极化指当外力作用于电介质中时，电介质中的电子会在不同的位置多次聚集，从而产生一个有序的动态极化和电场，这种极化方式称为动态极化。
电介质的极化现象有两个关键因素：一是外力施加的方式；二是介质的特性。
外力施加的方式包括电压、电流、磁场、温度和压力等，具体取决于介质性质，介质性质包括介质的电导率、热导率、磁导率、热传导率、介质的向心力、表面张力等，这些介质性质的变化都会影响介质的极化现象。
电介质的极化现象受到太多因素的影响，其特性很复杂，受多种外力和介质性质相互作用的影响，其表现出多种复杂的极化形式。
因此，理解和掌握介质极化现象的特性，以及将它应用到现实电介质系统中，对科学技术的发展有着重要的意义。
由于电介质的极化现象受多种外力和介质性质相互作用的影响，从而导致电介质的极性、强度和空间结构的变化，这就需要对电介质的极化现象进行详细的理论研究和实验测试。
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第一章 绪论1.1 介质的电极化电介质的特征是以正，负电荷中心不重合的电极化方式传播，存贮或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚电荷。
电介质物理学主要是研究介质内部束缚电荷在电场（包括光频电场），应力，温度等作用下的电极化和运动过程，阐明其电极化规律与介质结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，同时也研究电介质性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。
电介质可以是气态，液态或固态，分布极广。
本书主要讨论固态电介质，虽然电介质并非一定是绝缘体，但绝缘体都是典型的电介质。
绝缘体的电击穿过程及其原理关系到束缚电荷在强场作用下的极化限度，这也属于电介质物理的研究范围。
实际上，金属也具有介电性质。
当电场频率低于紫外光频率时，金属的介电性来源于电子气在运动过程中感生出的虚空穴（正电荷），从而导致动态的电屏蔽效应；此时基本上不涉及束缚电荷，故不列入电介质物理的研究范畴。
因为电极化过程与物质结构密切相关，电解质物理学的发展总是与物质结构的研究相呼应。
20世纪20年代，当关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也随着发展起来了，电极化的3个基本过程式：（1）原子核外电子云的畸变极化；（2）分子中正，负离子的相对位移极化；（3）分子固有电矩的转向极化，在外界电场作用下，介质的相对介电常数ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率ω的函数()εω 只当频率为零或频率很低（例如1kHz ）时，三种微观过程都参与作用；这时的介电常数(0)ε 对于一定的电介质而言是个常数。
随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化。
这时，介电常数取复数形式'"()()()i εωωωεε=- (1.1) 其中虚部"()ωε代表介质损耗，实部'()ωε随频率的增加而下降，同时虚部出现如图 1.1所示的峰值，这种变化规律称为弛豫型的。
频率再增加，实部'()ωε降至新恒定值，而虚部"()ωε则变为零；这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成不再作出响应。
当频率进入红外区，分子中正，负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部'()ωε先突然增加，随即陡然下降；同时又出现峰值。
过此以后，正，负离子的位移极化也不起作用了。
在可见光区，只有电子云的畸变对极化有贡献，这时实部'()ωε取更小的值，称为光频介电常数，记作ε∞；虚部"()ωε对应于光吸收。
实际上，光频介电常数随频率的增加而略有增加，称为正常色散。
在某些光频频率附近，实部'()ωε先突然增加随即陡然下降，下降部分成为反常色散；与此同时，虚部出现很大峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收，根据光的电磁波理论，介质对光的折射率 n 的平方等于相对介电常数。
在极高的光频电场下，只有电子过程才起作用，故2n ε∞= (1.2)共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程。
弛豫过程决定于微观粒子之间的相互作用。
当相互作用很强时，色散曲线和吸收曲线过渡到极端的弛豫型。
在频率更高时（如高于1910Hz ），介质对这种激励没有反应，ε取真空电容率。
除上述的三种主要极化结构外，在更低的频率范围还有（1）空间电荷极化：由外场注入或缺陷的作用等原因形成宏观极化或局域极化，由于它们难于运动，只有在频率很低时才对外场有响应。
（2）带有电矩的基团的极化：如某些缺陷所形成的偶极矩连同周围受其感应的部分所形成的微小区域，以及铁电体中的畴壁等，因其质量大而运动缓慢。
（3）界面极化：在非均匀介质系统中，当两种介质的介电常数和电导率不同时，在两种介质的界面上将有电荷积累，从而产生相应的极化。
界面极化对电场的响应等价于双层电介质模型，其行为类似于德拜弛豫。
研究介电极化和弛豫始终是波谱学和光谱学的重要内容，这种研究促进了分子物理学和固态物理学的发展。
在今后发展非晶态物理乃至液态物理的进程中，研究电极化和弛豫仍然是最基本的课题；这时所面临的机制将更加复杂而深刻，所需要的手段也将更加精细有效。
由于所涉及的是电荷的分布，起伏和带电粒子间的相互作用，故在电介质物理的研究中，一方面要很好的实验手段，另一方面要求优良的理论武器。
电动力学，量子力学，热力学和统计物理学等始终是研究和探讨本学科的必不可少的理论基础和手段，而且随着科学技术的向前发展，这些理论基础和方法将会更加完善。
在电介质物理学的发展过程中，有效场或内（电）场问题始终是个繁难的理论问题，并曾引起很多学者的研究和讨论，但一直没有得到圆满的解决，问题是这样提出来的：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。
但作用在每个分子或原子上使之极化的有效场（内场）显然不包括该分子或原子自身极化所产生的电场，因而有效场不等于宏观场。
通常在考虑有效场时必须把所讨论的分子或原子的贡献排除在外，对于所讨论的分子或原子来说，近郊的与远离的其他粒子所发生的作用并不相同：远离的只有长程作用，近郊的还有短程作用。
Lorentz 在讨论这个问题时，设想以所考虑的分子或原子为中心，作一半径足够大的球。
球外可作为连续介质处理，对球内则必须具体考虑其结构。
当介质具有对称中心时，Lorentz 得出结论，球内其他粒子对中心粒子的作用相互抵消；球外则可归结为空球表面的极化中心所产生的场，在 C.G . S 制下等于43P π ， 其中P 代表介质的极化强度。
因此，若外加电场为E ，则作用于中心分子或原子上的有效场（内场）为43e P E E π=+ (CGS 制) （1.3）称e E 为Lorentz 有效场或内场。
实验表明，对不具有固有电矩，但具有中心反演对称的介质，Lorentz 内场是适用的。
但对由具有固有电矩的分子所组成的液体，虽然液体各向同性（故有对称中心），但用Lorentz 内场计算得到的介电常数比实测的要大的多，这表明此时的Lorentz 内场过大了。
在国际单位制（SI ）下，式（1.3）的形式为03e P E E ε=+ （1.4） 其中0ε为真空介电常数，等于128.853710F m -⨯。
在本书中无特别声明，一律采用国际单位制。
昂萨格（L 。
Onsager ）在讨论和分析这个问题，他认为分子固有电矩引起周围的电极化，反过来作用于中心电矩的场，他称为反作用场，这个场是不能使中心电矩转向的。
Lorentz 内场中包含了反作用场，因而显得过大了。
昂萨格还认为，在外电场作用下，引起中心电矩转向的是空球电场；其来源是因为取走点电矩而用空球代替时，外加电场在空球内，外都发生了畸变。
由于空球电场不同点电矩平行，故能使之转向。
对于极性不很强的液体，昂萨格理论给出的结果同实验结果比较符合。
虽然昂萨格模型比Lorentz 模型有所改进，但实际上它忽略了球内分子的结构，没有考虑分子间的短程作用，因而又在另一个极端上将问题过分地简化了。
对于形成分子集团的极性液体，例如水等，短程相互作用不能忽略，昂萨格理论不再适用。
对于形成分子集团的液体，特别是对于聚合物和高分子介质，则必须考虑短程作用。
Kirkwood 首先采用了统计的方法来考虑介质极化过程中粒子间的相互作用。
其后，Frohlich 更为系统地发展了统计理论，这对于研究和发展极性高分子聚合物电介质来说有重要意义。
对于结构紧密的固态介质，除接近熔点时的情况外，分子电矩的直接转向难以实现。
但固态介质中总是存在缺陷的，在外电场作用下，带电缺陷可以从一个平衡位置跳到另一个平衡位置，其效果就相当于电矩的转向。
一些具有强离子键的晶体，其静态介电常数总比折射率的平方大得多；除离子位移极化的贡献外，差值就是带电缺陷在外电场作用下从一个平衡位置跳到另一个平衡位置引起的。
只有共价键的原子晶体，例如金刚石，锗，硅等，它们的静态介电常数才接近于折射率的平方。
对于Ш-V 族化合物，例如GaAs ，InP 等，虽然主要是共价键结构，但因附加了离子键，其静态介电常数也显著地比折射率的平方要大。
在外电场作用下，分子电矩在转向过程中因与周围分子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化弛豫。
极化弛豫，介质损耗或介质吸收这三者是从不同角度出发来描述同一个问题。
实验表明，复介电常数的实部'ε和虚部"ε不是互相独立而是互相联系的，Kramers 和Kronig 从十分普遍的数学原理得出了两者互相联系的K-K 关系式。
用分子电矩的转向模型来解释时，K-K 关系式的物理图象是十分清楚的。
复介电常数实部的增长是由于电矩转到与外场平行的方向；但在转向过程中就要与周围粒子发生碰撞而损失能量，从而出现弛豫，这是由复介电常数的虚部来表示的。
德拜（P 。
Debye ）对弛豫过程作了深刻的研究。
他认为极化弛豫可分解为一些exp()t τ-类型的单元过程，由弛豫时间τ来表示，弛豫有一定的分布函数()F τ ，符合归一化条件()1F d ττ=⎰ (1.5) 复介电常数的实部和虚部可表为'220()()()1s F d τωτεεεεωτ∞∞∞=-++⎰(1.6)"220()()()1s F d τωτωτεεεωτ∞∞=-+⎰ (1.7) 其中s ε为静态介电常数对于单一的特征弛豫时间τ，()F τ成为δ函数。
实际电介质的弛豫时间具有一定分布，Cole-Cole 用经验公式把复介电常数表示为(),011()s i αωαεεεεωτ∞∞-=+<≤+ （1.8）在晶态电介质中，当缺陷存在着多个平衡位置时，每个平衡位置对应着一个特征弛豫时间，就会使晶体出现多个特征时间的弛豫过程。
此外还有(),01(1)s i βωβεεεεωτ∞∞-=+<≤+ （1.9）(),(1)()s i βωαεεεεωτ∞∞-=++ （1.10）等以描述更复杂的过程。
电极化与电导有密不可分的关系，电导也是电介质物理学中的重要研究内容。
许多电介质在频率为 ω的电场中都可等效为电容和电阻的并联。
由交流电路原理可知，在此频率下，其复电导率'"()()()i σωωωσσ=+ 与介电常数的关系是'"0()()ωωωσεσ= （1.11） "'0()()ωωωσεσ= （1.12） 从这个意义上说，复电导的研究与极化的研究同样重要。
1.2 固态电介质固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利用的性质，例如电致伸缩，压电性等，从而引起了广泛的研究，但过去大多限于讨论它们的宏观性质以及可提供的技术应用。
实际上，这些性质是与晶体内在结构，其中的束缚原子（或离子）以及束缚电子的运动等都有密切的关系。
现在，固态电介质物理与固体物理，晶体光学有着许多交叠的领域。