电工材料及应用J

5、松弛极化
当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点 时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质 点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导， 发生极化。这种极化具有统计性质，叫作热松驰极化。
1、电子云位移极化：没有受电场作用时，组成电介质 的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。 受电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云 发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程)，中 性分子则转化为偶极子，这种过程就是电子云位移极 化。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介 质中。
以NaCl为例，在外电场E 作用下，正、负离子相对 自己原来位置发生△r大小 位移，在△r不大时，离子 达到平衡的条件是电场作 用力与离子的恢复力相等， 即
qE k r
（2）离子位移极化的特点：
a)形成极化所需时间很短，约为10-13ｓ。在频率不太 高时，可以认为ε与频率无关； b) 属弹性极化，能量损耗很小。 c) 离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升高时 离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密 度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一 种因素影响较大，故ε一般具有正的温度系数，即随 温度升高，出现极化程度增强趋势的特征。
V
(库/米2)
3、电介质的极化率χ和相对介电常数ε
在电介质中，由电磁学理论有 D 0 E P 0 E 0 E
(1 ) 0 E 0 E
其中
1
因此，在描述物质的介电性质时，使用相对介电常 数ε和宏观极化率χ在物理上等价的。
二、电极化的微观机构
Chap 5 电介质与绝缘材料
绝缘材料是指电导率较低(一般在10-9~10-10 s/m之
间),用来限制电流使其按一定途径流动的材料(如在电机, 变压器,电器,电缆中的绝缘);另外,还有利用其”介电”特 性建立电场以贮存电能的材料(如电容器).
电介质是指能在电场中极化的材料.而电介质多数是优
良的绝缘材料,故两者经常通用. 电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘 体和某些处于特殊状态下的半导体（如载流子耗尽状态下 的半导体）
§0 电介质分类
电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为:
中性电介质 ☺ 偶极电介质 ☺ 离子型电介质
☺
§1 介质极化的基本概念
一、定义及有关物理量
1、电偶极矩：由大小相等、符号相反、彼此相距为l 的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子， 偶极子的大小和方向常用电偶极矩μ来表示(方向由负 电荷指向正电荷)
3、偶极子转向极化：极性电介质中，存在具有固有 偶极矩μ0的偶极子。无外电场时，偶极子排列混乱， 使∑μi=0；加外电场时，偶极转向，成定向排列，从 而使电介质极化.
（1）偶极子极化率：具有固有电偶极矩μ0的偶极子的转向极 化率为 2
d 0 / 3kT
（2）偶极子极化的特点： a) 极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。
b) 形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，故其ε与电源 频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而 其ε减小。 c) 温度对极性介质的ε有很大的影响。
4、空间电荷极化：空间电荷极化常常发生在不均匀介质
中。在电场作用下，不均匀介质内部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，出现了 电偶极距。这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的 离子电荷就是空间电荷。 实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成为自由 电荷运动的障碍，在这些障碍处，自由电荷积聚，也形成空 间电荷极化 空间电荷极化的特点： 空间电荷极化随温度升高而下降。因为温度升高，离子运 动加剧，离子扩散容易，因而空间电荷减少。 空间电荷的建立需要较长的时间，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介 电性质有影响。
（1）电子云位移极化率：理论计算值取决于所采用 的粒子模型，由点状核球状负电壳体模型或圆周轨 道模型(玻尔模型)计算出的电子极化率为：
e 4 0r 3
由量子力学计算给出的电子极化率为 e (9/ 2) 4 0r 3
在数量级上上述各种情况均相同，其值都在10-40F· m2， 与实验结果相吻合。
（2）电子云位移极化的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ点：
a)形成极化所需时间极短(因电子质量极小)，约为10-15ｓ，
在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；
b) 具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合 而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。
2、离子位移极化：离子晶体中，无电场作用时，离 子处在正常格点位置并对外保持电中性，但在电场作 用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中 性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转 变为偶极子产生离子位移极化. 离子位移极化主要存 在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷材料等。 （1）离子位移极化率：
q l
电偶极矩的单位为C.m(库仑.米).在分子物理中， 常用德拜(D)为单位，1D等于10-18cgs(静电单位)，相 当于3.33×10-28C.cm。H2O的电偶极矩为1.85D,HCl 的电偶极矩为1.08D.
2、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
P
材料的介电性能是电介质的主要特征，它以正、 负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录 电的作用和效应。电极化中的电荷主要指那些束缚 在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部区域内的束 缚电荷。
各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表 现出不同的电极化行为，并进行决定着电介质材料 的各种性能。
本章介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能, 并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。
由物质的组成可以知道，物质的宏观电极化是组 成物质的微观粒子在外电场作用下发生微观电极化 的结果，通常，微观粒子在外电场作用下而产生的 电矩与场强存在如下关系：
E
式中α称为微观极化率。粒子的微观极化率可能来自 多种原因，一般情况包括电子云位移极化（其极化 率用αe表示）、离子位移极化（其极化率用αi表示）、 偶极子转向极化（其极化率用αd表示）等