電介質極化

電介質極化是指外電場作用下，電介質顯示電性的現象。理想的絕緣介質內部沒有自由電荷，實際的電介質內部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質漏電的原因。 一般情形下，未經電場作用的電介質內部的正負束縛電荷平均說來處處抵消，巨觀上並不顯示電性。在外電場的作用下，束縛電荷的局部移動導致巨觀上顯示出電性，在電介質的表面和內部不均勻的地方出現電荷，這種現象稱為極化，出現的電荷稱為極化電荷。這些極化電荷改變原來的電場。充滿電介質的電容器比真空電容器的電容大就是由於電介質的極化作用。

基本介紹

• 中文名：電介質極化
• 背景：外電場作用
• 內容：電介質顯示電性的現象
• 原因：電介質內部總是存在少量自由電荷

基本含義

根據電介質中束縛電荷的分布特徵，可將組成電介質的分子分為無極分子和有極分子兩類。無極分子是指電介質內部的束縛電荷分布對稱．正電荷與負電荷的中心重合，對外產生的合成電場為0，對外不顯電特性的分子；有極分子是指其內部束縛電荷分布不對稱，正電荷與負電荷的中心不重合，本身構成一個電偶極矩(簡稱電矩)的分子，或稱為電偶極子。

無外加電場時，無極分子電介質中的分子沒有電矩。有外加電場時，每個無極分子在外電場作用下使得正、負電荷的中心被拉開微小的距離，電荷的中心產生位移，形成了一個電偶極子。產生一個電矩，電矩的方向與外電場的方向平行。外電場越強，分子中電荷的中心位移越大．電介質中分子電矩的矢量和也越大。無極分子電介質的這種特性稱為位移極化。

無外加電場時，有極分子電介質中的分子具有一個固有電矩。但是由於電介質內部分子的無規則熱運動，使得每個具有電矩的極性分子分布無規則，因此電介質中所有分子電矩的矢量和為0，對外產生的合成電場為0，對外也不顯電特性。有外加電場時．每個有極分子的電矩都受到一個外電場力矩作用．使得有極分子的電矩在一定程度上轉向外電場方向．最終使得電介質中分子電矩的矢量和不等於0。外電場越強，分子電矩排列越整齊，電介質中分子電矩的矢量和也越大。有極分子電介質的這種特性稱為取向極化。外加電場作用下．電介質中無極分子的束縛電荷發生位移產生的位移極化，以及有極分子的固有電矩的取向趨於電場方向而產生的取向極化統稱為電介質的極化。

電介質的極化使得電介質內分子的正負電荷發生位移或取向變化，電介質內部出現許多按外電場方向排列的電偶極子，這些電偶極子改變了整個電介質原來的電場分布。在電介質內部可能出現淨餘的電荷分布，同時在電介質的表面上有電荷分布，這種電介質表面上的電荷稱為極化電荷。極化電荷與導體中的自由電荷不同，不能自由移動，因此也稱為束縛電荷。但是極化電荷也是電荷，它與自由電荷一樣是產生電場的源，極化電荷對原電場有影響，會引起整個電介質電場的變化。

極化強度

不同電介質的極化程度是不一樣的。為了分析電介質極化的巨觀效應，常引入極化強度P這一物理量來表征電介質的極化特性。極化強度是一個矢量，定義單位體積內電偶極子電矩的矢量和為極化強度。

極化電荷密度

極化電荷密度電介質在外電場作用下發生極化後．若電介質內部極化均勻，則電介質內的極化電荷等於0，電介質內不會存在極化電荷的體分布；若電介質內部極化不均勻，則電介質內的極化產生的電偶極子的分布也不均勻，電介質內的極化電荷不等於0，電介質內部存在極化電荷的體分布。無論電介質內均勻極化或非均勻極化，電介質的表面都會有極化電荷存在。

我們知道，電介質極化會產生極化電荷，而極化強度又是表征電介質的極化程度的物理量，這二者之問必有一定的關係。在電介質中的任意閉合面S內作一面積元dE，其法向單位矢量為P。

極化機制

電子、離子位移極化

1. 電子位移極化在外電場作用下，原子外圍的電子軌道相對於原子核發生位移，原子中的正、負電荷重心產生相對位移。這種極化稱為電子位移極化(也稱電子形變極化)。
   
2. 離子位移極化離子在電場作用下偏移平衡位置的移動，相當於形成一個感生偶極矩；也可以理解為離子晶體在電場作用下離子間的鍵合被拉長，例如鹼鹵化物晶體就是如此。根據經典彈性振動理論可以估計出離子位移極化率。
   

電介質極化弛豫極化

這種極化機制也是由外加電場造成的，但與帶電質點的熱運動狀態密切相關。例如，當材料中存在著弱聯繫的電子、離子和偶極子等弛豫質點時，溫度造成的熱運動使這些質點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時建立了極化狀態。這種極化具有統計性質，稱為熱弛豫(鬆弛)極化。極化造成帶電質點的運動距離可與分子大小相比擬，甚至更大。由於是一種弛豫過程，建立平衡極化時間約為101~102s，並且由於創建平衡要克服一定的位能，故吸收一定能量。因此，與位移極化不同，弛豫極化是一種非可逆過程。

弛豫極化包括電子弛豫極化、離子弛豫極化、偶極子弛豫極化。它多發生在聚合物分子、晶體缺陷區或玻璃體內。

取向極化

沿外場方向取向的偶極子數大於與外場反向的偶極子數，因此電介質整體出現巨觀偶極矩，這種極化稱為取向極化。

這是極性電介質的一種極化方式。在無外電場時，由於分子的熱運動，偶極矩的取向是無序的，所以總的平均偶極矩較小，甚至為0。而組成電介質的極性分子在電場作用下，除貢獻電子極化和離子極化外，其固有的電偶極矩沿外電場方向有序化。在這種狀態下的極性分子的相互作用是一種長程作用。儘管固體中極性分子不能像液態和氣態電介質中的極性分子那樣自由轉動，但取向極化在固態電介質中的貢獻是不能忽略的。對於離子晶體，由於空位的存在，電場可導致離子位置的躍遷，如玻璃中的鈉離子可能以跳躍方式使偶極子趨向有序化。

電介質極化空間電荷極化

眾所周知，離子多晶體的晶界處存在空間電荷。實際上不僅晶界處存在空間電荷，其他二維、三維缺陷皆可引入空間電荷，可以說空間電荷極化常常發生在不均勻介質中。這些混亂分布的空間電荷，在外電場作用下，趨向於有序化，即空間電荷的正、負電荷質點分別向外電場的負、正極方向移動，從而表現為極化。

巨觀不均勻性，例如夾層、氣泡等也可形成空間電荷極化，因此，這種極化又稱界面極化。由於空間電荷的積聚，可形成很高的與外場方向相反的電場，故而有時又稱這種極化為高壓式極化。

空問電荷極化隨溫度升高而下降。這是因為溫度升高，離子運動加劇，離子容易擴散，因而空間電荷減小。空間電荷極化需要較長時間，大約幾秒到數十分鐘，甚至數十小時，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的極化強度有貢獻。