电介质的极化课件
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§2-1 电介质的分类
2、极性电介质 ➢极性分子：无外电场作用时，分子的正负电荷中心不重合， 即分子具有固有偶极矩，称这类分子为极性分子。例如H2O。 ➢由极性分子构成的电介质称为极性电介质。根据分子固有偶 极矩的大小，极性分子又分为三种： 弱极性电介质：μ0 ≤ 0.5 D
强极性电介质：μ0 ≥ 1.5 D
3、空间电荷极化（界面极化）
➢ 对于结构非均匀的电介质，一些在有限距离内可移动的电荷，积累在晶界 或者相界处构成的极化。
p
非极性电介质的极化
-12-
界面处的空间电荷极化
§2-2 电介质的极化
4、极化强度
➢ 极化就是电介质在电场作用下，内部出现宏观偶极矩的现象。为了描述极
化的程度，可以用单位体积的介质中偶极矩总和来表示。
电学大师 法拉第
-3-
§2-1 电介质的分类
电偶极子—描述电介质的基本电学模型
➢由相距一定距离的等量异号电荷，构成的带电体系称为， 电偶极子。
➢电电荷偶q 极与矩l：的从乘负积电定荷义到为正电电偶荷极作矩一。矢用量l 表，示则：电偶极ql子的 ➢单位：C • m或D (德拜) 。是矢量，方向由负电荷指向正
弱极性电介质,μ0≤0.5D
极性电介质:
无外电场作用时，由正负 电荷中心不重合，具有固
中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
有偶极矩的分子组成
化学结构不对称，介电常数εr=2.6~80, 体电阻率低于非极性电介质
强极性电介质,μ0≥1.5D
石英，云母，金红石型离子晶体 离子型电介质: 通常由正负离子组成 玻璃、陶瓷
p
-7-
§2-1 电介质的分类
电介质的极化
电介质
按正负电荷 和分布特性 可分为
无外电场作用时，由正 非极性电介质：负电荷中心重合，电偶
极矩为零的分子组成
单原子分子 (He,Ne,Ar等)
相同原子组成的 分子(H2,N2,Cl2等)
一般具有对称的化学结构，介电常数
对称结构的多原子分子
εr=2~2.5,体电阻率ρv=1014~1016Ω·m化学 (CO2,CCl4,CnH2n+2等) 惰性，性能稳定
➢电偶极子作为电介质的基本电学模型，认识它对电场的响应， 对理解电介质的极化行为具有重要帮助。
在外电场作用下，电偶极子将受力矩的作用。正、负电荷受到的电场力分 别为：F1 = F2 = F = qE
由于F1 、 F2 大小相等方向相反，因此，电偶极子受到力矩作用，其大小为：
写成矢量形式M ， 为F ：sM l i n q s E E i n lE s in
p
极性电介质极化示意图。随着电场的增强，极性分子趋向程度提高，并形成束缚电荷。
-11-
§2-2 电介质的极化
2、非极性电介质的极化
➢ 无外电场 作用时，非极性电介质的正负电荷中心重合，分子偶极矩为0。 ➢ 在外电场作用下，尽管分子内正负电荷仍彼此强烈束缚着，但是，围绕原
子核的电子云相对于原子核发生弹性位移而形成偶极矩。这个偶极矩是在 电场作用下感应产生的，随外电场的移去而消失，因此，称为感应偶极矩。 与此同时，在电介质表面出现极化电荷。
介电常数较大，较高的机械强度
其他无机电介质
-8-
§2-2 电介质的极化
➢在电场作用下，电介质产生电极化是其对电场的基本响应。 ➢什么是极化呢？在电场作用下，电介质内部沿电场方向出现宏 观偶极子，在电介质表面出现束缚电荷的现象。
p
电介质极化示意图，其特征是在电介质的表面出现束缚电荷
-9-
§2-2 电介质的极化
中极性电介质： 0.5 D < μ0 < 1.5 D ，（μ0为分子的固有偶极矩） 极性分子的介电常数εr=2.6~p80, ρv也较非极性电介质低。
极电介质的分类
3、离子型电介质 ➢离子型电介质主要是指无机晶体及陶瓷类电介质，如：石英、云 母、NaCl晶体等。其介电常数较大，且变化范围大。 (εr= 4.5~100 以上 )，具有较高的机械强度。 ➢离子型电介质由正、负离子组成，介质中只有离子。
式中，θ 为电偶极矩 μ 与场强 E 之间的夹角。
电场对电偶极子的作用是使其沿电场p方向取向。
P. Debye 获1936年诺贝尔化学奖
-10-
§2-2 电介质的极化
1、极性电介质的极化 ➢ 无外电场作用时，虽然极性分子存在固有偶极矩，但是，由于
分子不规则的热运动，分子在各个方向上的取向几率相等，故 整体上其宏观偶极矩为0。 ➢ 当施加外电场后，每一分子偶极矩受电场力矩作用，将趋于转 向外电场方向，因此，电介质内部沿着外电场方向产生宏观偶 极矩，在电介质表面出现束缚电荷。
电介质物理
第二章 电介质的极化
-1-
第二章 电介质的极化
§2-1 电介质的分类 §2-2 电介质的极化 §2-3 电介质的宏观与微观参数的关系 §2-4 分子极化率 §2-5 电介质的有效电场及介电系数
-2-
§2-1 电介质的分类
➢最开始对电介质的行为做出仔细研究的是法拉第，法拉第发现在平板电容器的 极板中间放入不导电的材料，电容器的容量会显著增大。法拉第给出了dielectric 这一名词，这就是电介质。 ➢电介质之所以会有电学行为，根本原因在于电介质当中含有带电粒子。 ➢电介质材料可以根据用途分成无源型和有源型两类，无源型电介质利用其良好 的电气绝缘性能应用于绝缘领域，我们通常称之为绝缘材料。有源型电介质利用 其可控的电荷存储与释放特性应用于信息存储和信号传感等领域。 ➢根据电荷在原子或分子中的分布特征，电介质可分为三类：非极性电介质、极 性电介质和离子性电介质。
电荷。1D = 3.33×10-30 C • m 。
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§2-1 电介质的分类
1、非极性电介质 ➢非极性分子：在无外电场作用时，分子的正、负电荷中心重 合，故分子的电偶极距为0，称其为非极性分子。 ➢由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质或中性电介质。 从化学结构上看，这类电介质具有对称结构，如：CO2、聚乙 烯、聚四氟乙烯等。 ➢反映极化行为的宏观物理量是介质的相对介电常数εr。 ➢对于非极性电介质（固体） εr= 2.0 ~ 2.5，同时，通常体积 电阻率ρv=1014 ~1016 Ω•m，且非p 极性电介质的化学稳定性好。
§2-1 电介质的分类
2、极性电介质 ➢极性分子：无外电场作用时，分子的正负电荷中心不重合， 即分子具有固有偶极矩，称这类分子为极性分子。例如H2O。 ➢由极性分子构成的电介质称为极性电介质。根据分子固有偶 极矩的大小，极性分子又分为三种： 弱极性电介质：μ0 ≤ 0.5 D
强极性电介质：μ0 ≥ 1.5 D
3、空间电荷极化（界面极化）
➢ 对于结构非均匀的电介质，一些在有限距离内可移动的电荷，积累在晶界 或者相界处构成的极化。
p
非极性电介质的极化
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界面处的空间电荷极化
§2-2 电介质的极化
4、极化强度
➢ 极化就是电介质在电场作用下，内部出现宏观偶极矩的现象。为了描述极
化的程度，可以用单位体积的介质中偶极矩总和来表示。
电学大师 法拉第
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§2-1 电介质的分类
电偶极子—描述电介质的基本电学模型
➢由相距一定距离的等量异号电荷，构成的带电体系称为， 电偶极子。
➢电电荷偶q 极与矩l：的从乘负积电定荷义到为正电电偶荷极作矩一。矢用量l 表，示则：电偶极ql子的 ➢单位：C • m或D (德拜) 。是矢量，方向由负电荷指向正
弱极性电介质,μ0≤0.5D
极性电介质:
无外电场作用时，由正负 电荷中心不重合，具有固
中极性电介质, 0.5D <μ0<1.5D
有偶极矩的分子组成
化学结构不对称，介电常数εr=2.6~80, 体电阻率低于非极性电介质
强极性电介质,μ0≥1.5D
石英，云母，金红石型离子晶体 离子型电介质: 通常由正负离子组成 玻璃、陶瓷
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§2-1 电介质的分类
电介质的极化
电介质
按正负电荷 和分布特性 可分为
无外电场作用时，由正 非极性电介质：负电荷中心重合，电偶
极矩为零的分子组成
单原子分子 (He,Ne,Ar等)
相同原子组成的 分子(H2,N2,Cl2等)
一般具有对称的化学结构，介电常数
对称结构的多原子分子
εr=2~2.5,体电阻率ρv=1014~1016Ω·m化学 (CO2,CCl4,CnH2n+2等) 惰性，性能稳定
➢电偶极子作为电介质的基本电学模型，认识它对电场的响应， 对理解电介质的极化行为具有重要帮助。
在外电场作用下，电偶极子将受力矩的作用。正、负电荷受到的电场力分 别为：F1 = F2 = F = qE
由于F1 、 F2 大小相等方向相反，因此，电偶极子受到力矩作用，其大小为：
写成矢量形式M ， 为F ：sM l i n q s E E i n lE s in
p
极性电介质极化示意图。随着电场的增强，极性分子趋向程度提高，并形成束缚电荷。
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§2-2 电介质的极化
2、非极性电介质的极化
➢ 无外电场 作用时，非极性电介质的正负电荷中心重合，分子偶极矩为0。 ➢ 在外电场作用下，尽管分子内正负电荷仍彼此强烈束缚着，但是，围绕原
子核的电子云相对于原子核发生弹性位移而形成偶极矩。这个偶极矩是在 电场作用下感应产生的，随外电场的移去而消失，因此，称为感应偶极矩。 与此同时，在电介质表面出现极化电荷。
介电常数较大，较高的机械强度
其他无机电介质
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§2-2 电介质的极化
➢在电场作用下，电介质产生电极化是其对电场的基本响应。 ➢什么是极化呢？在电场作用下，电介质内部沿电场方向出现宏 观偶极子，在电介质表面出现束缚电荷的现象。
p
电介质极化示意图，其特征是在电介质的表面出现束缚电荷
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§2-2 电介质的极化
中极性电介质： 0.5 D < μ0 < 1.5 D ，（μ0为分子的固有偶极矩） 极性分子的介电常数εr=2.6~p80, ρv也较非极性电介质低。
极电介质的分类
3、离子型电介质 ➢离子型电介质主要是指无机晶体及陶瓷类电介质，如：石英、云 母、NaCl晶体等。其介电常数较大，且变化范围大。 (εr= 4.5~100 以上 )，具有较高的机械强度。 ➢离子型电介质由正、负离子组成，介质中只有离子。
式中，θ 为电偶极矩 μ 与场强 E 之间的夹角。
电场对电偶极子的作用是使其沿电场p方向取向。
P. Debye 获1936年诺贝尔化学奖
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§2-2 电介质的极化
1、极性电介质的极化 ➢ 无外电场作用时，虽然极性分子存在固有偶极矩，但是，由于
分子不规则的热运动，分子在各个方向上的取向几率相等，故 整体上其宏观偶极矩为0。 ➢ 当施加外电场后，每一分子偶极矩受电场力矩作用，将趋于转 向外电场方向，因此，电介质内部沿着外电场方向产生宏观偶 极矩，在电介质表面出现束缚电荷。
电介质物理
第二章 电介质的极化
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第二章 电介质的极化
§2-1 电介质的分类 §2-2 电介质的极化 §2-3 电介质的宏观与微观参数的关系 §2-4 分子极化率 §2-5 电介质的有效电场及介电系数
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§2-1 电介质的分类
➢最开始对电介质的行为做出仔细研究的是法拉第，法拉第发现在平板电容器的 极板中间放入不导电的材料，电容器的容量会显著增大。法拉第给出了dielectric 这一名词，这就是电介质。 ➢电介质之所以会有电学行为，根本原因在于电介质当中含有带电粒子。 ➢电介质材料可以根据用途分成无源型和有源型两类，无源型电介质利用其良好 的电气绝缘性能应用于绝缘领域，我们通常称之为绝缘材料。有源型电介质利用 其可控的电荷存储与释放特性应用于信息存储和信号传感等领域。 ➢根据电荷在原子或分子中的分布特征，电介质可分为三类：非极性电介质、极 性电介质和离子性电介质。
电荷。1D = 3.33×10-30 C • m 。
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§2-1 电介质的分类
1、非极性电介质 ➢非极性分子：在无外电场作用时，分子的正、负电荷中心重 合，故分子的电偶极距为0，称其为非极性分子。 ➢由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质或中性电介质。 从化学结构上看，这类电介质具有对称结构，如：CO2、聚乙 烯、聚四氟乙烯等。 ➢反映极化行为的宏观物理量是介质的相对介电常数εr。 ➢对于非极性电介质（固体） εr= 2.0 ~ 2.5，同时，通常体积 电阻率ρv=1014 ~1016 Ω•m，且非p 极性电介质的化学稳定性好。