電介質物理

電介質物理，凝聚態物理學的分支。

基本介紹

• 中文名：電介質物理
• 形式：電傳導和電極化

形式

物質對外加電場的回響有兩種基本的形式：電傳導和電極化。電極化是正負電荷重心相對偏離而使物質呈現極性亦即極化強度不為零的現象。極化強度（簡稱極化）P是單位體積內電偶極矩的矢量和：P=∑pi /V=∑qi Ii /V，pi是電偶極矩，Ii是電荷−qi至+qi的矢量。在電場作用下可建立極化或極化狀態發生變化的物質稱為電介質。

電介質物理的研究內容主要有兩方面：①極化的微觀機制和極化過程；②在各種外界條件作用下極化狀態的變化以及由此引起的物理性能的變化。通過這些研究，力圖從原子和分子水平上闡明電極化的過程和規律，闡明介質的巨觀性質與微觀結構的關係，以改進電介質的性能，發展新的電介質材料和擴展電介質的套用。

發展簡史

人類對電介質的認識是從電絕緣開始的，電介質正是作為電絕緣材料而在很早就得到套用。隨著電工和電子技術的發展，電介質又被廣泛用作電容器材料。與這兩大套用相適應，人們開始從物理學的角度研究電介質，逐步形成了以極化、損耗、電導和擊穿四大參數為基本內容的電介質物理學。

雖然1880年發現了壓電性，1920年發現了鐵電性，但大約到20世紀60年代以後鐵電體等新型電介質及其套用的出現，電介質物理才有了長足的進展。人們力圖從統一的觀點闡明極化（包括自發極化）的微觀機制以及極化狀態在各種外界條件下的變化，並採用了各種實驗手段和理論方法，這就深化和豐富了電介質物理的研究，使之突破了傳統的四大參數的範圍。

電容率和極化率　

在電場作用下出現極化或極化發生變化是電介質的最基本特性，所以描寫電介質的最主要參量是電容率（即介電常量）和介電極化率。電容率ε是介質中電位移D對電場E的變化率。在各向同性的線性電介質中，ε=D/E=(ε0E+P)/E，這裡P是極化，ε0是真空電容率。εr=ε/ε0叫相對電容率。

極化過程中有能量損耗，一般情況下電容率要用一個復量來表示：εr=ε′r−iε″r。單位時間單位體積內的能量損耗正比於tanδ=ε″r/ε′r，tanδ稱為介電損耗正切。介電極化率χ正比於極化對電場的變化率：χ=P/(ε0E)，顯然εr=1+χ。極化的產生和變化是原子或分子中正負電荷相對偏移的結果，從微觀上描寫極化需要引入原子極化率或分子極化率α，α=p/E1，E1是作用於該原子或分子的電場，p是該電場引起的電偶極矩。

介質中的電場　

電介質中的電場是外加電場與極化了的電介質所產生的電場之和。一個微觀大巨觀小的試驗電荷在電場中所受的力與其電荷量之比給出的電場叫巨觀電場。出現於巨觀性質參量（如電容率和介電極化率等）中的電場是巨觀電場。電介質中的巨觀電場等於外加電場與退極化場之和，後者是電介質的貢獻。極化了的電介質在其表面出現束縛電荷，該電荷在介質內部產生的電場總是與極化的方向相反，故名退極化場。從微觀上描寫電介質（如計算原子極化率或分子極化率）時，需要知道作用於某一原子或分子上使之極化的有效電場。它是在微觀尺度上來表征的，通常隨所考慮位置的不同而有顯著的差別。這是一種微觀場。為強調它隨位置而不同的特點，常稱為電介質局域場。極化了的電介質是由許多偶極子組成的，因為每個極化了的原子或分子都是偶極子。這些偶極子都將在所考慮點產生電場。局域場等於外加電場加上除開所考慮的那個原子或分子以外介質中全部電偶極子在該點所產生的電場。為了計算後者，H.A.洛倫茲提出了一種方法。構想在介質中以所考慮點為中心挖一個巨觀小微觀大的球形空腔。對球體如實考慮原子或分子的排列情況，球內偶極子在所考慮點產生的電場用逐個求和法計算。對球外則作為連續介質處理。計算表明，如果偶極子的排列有立方對稱性或是完全無規的，則球內偶極子在所考慮點的電場為零，局域場等於外加電場、退極化場與P/(3ε0)之和，即巨觀場與P/(3ε0)之和。不過這裡的電偶極子都是電場誘發的，對於分子具有固有電偶極矩的極性介質，洛倫茲的結果不適用。總起來看，局域場問題迄今還沒有得到很好的解決。

極化機制　

電介質的極化有三種主要的機制，即電子極化、離子極化和偶極子轉向極化。電子極化是在所有材料中普遍存在的極化機制。電場作用下電子相對於原子核發生偏移，使電子云的負電荷重心與原子核的正電荷重心不相重合，形成電偶極子。電子質量很小，電子運動對光頻電場仍能回響，所以電子極化在直流至光頻範圍都存在。事實上光頻電場是電子極化唯一的極化機制。電介質光頻的極化特性用折射率n表示。非磁性電介質的折射率等於相對電容率的平方根：n=(εr)1/2。離子極化是指離子晶體中正負離子在電場作用下分別偏離平衡位置而產生電偶極子。這種極化在低頻電場中可認為是瞬時的，但頻率升高到紅外區時離子運動已跟不上電場的變化，所以在紅外和更高頻的電場中這種極化不再存在。有些物質（如水等）中由於分子結構的不對稱性存在著固有偶極子。電場中電偶極子受到一個力矩的作用轉到與電場平行的方向。除開這種分子結構本身造成的偶極子外，更常見的是所謂“缺陷偶極子”。它由帶電的點缺陷形成，在電場作用下也發生轉向運動。偶極子在電場中的轉向運動是一個熱激活過程，因此回響比較慢。回響時間取決於激活能和溫度，通常在10−8～10−3秒或更長。上述三種極化都是在電場作用下出現的。有一些電介質，如鈦酸鋇(BaTiO3)和磷酸二氫鉀(KH2PO4)等，在其各自的特徵溫度以下不需要任何電場的作用即具有自發極化，而且自發極化可在電場作用下改變方向。這類電介質稱為鐵電體。鐵電體的電容率較普通電介質大很多，在電場較強時極化與電場呈電滯回線。深入闡明極化的機制特別是自發極化的起因是電介質物理的一個主要方面。

功能效應　

各種外界條件作用下，電介質的極化狀態發生變化，從而導致其性能改變並出現一些新的性能，這就是電介質的功能效應。電場作用下介質出現極化且極化發生變化，介質對直流電起隔離作用，但交流電可藉助感應而順利通過。電容率越大，電極表面出現的電荷就越多，介質內儲存的能量也越多。根據這個特性電介質被大量用作電容器材料。鐵電體中自發極化取向相反的狀態是兩個穩定的狀態。足夠強的交變電場可引起自發極化反轉，從而在電極上交替出現數量相等的正負電荷。這種正負電荷與雙穩態對應的特性可用來存儲信息。這是當前廣為研究的非揮發性鐵電存儲器的基礎。一些不具有對稱中心的電介質，如α–石英晶體和所有的鐵電體中，電場可誘發與之成正比的應變，應力可誘發與之成正比的極化，這就是壓電效應(見壓電性)。利用壓電效應發展了許多感測器和換能器，在高新技術中占有重要地位。任何電介質中電場均可導致與其平方成正比的應變，稱為電致伸縮效應。有些電介質如一些弛豫鐵電體中該應變相當大，據此發展了電致伸縮材料，製成了精密位移器等器件。電介質的自發極化是溫度的函式。溫度改變時極化的變化將使與電介質相連線的外電路中出現電荷的釋放和吸收，稱為熱電效應(見熱電性)。熱電材料在紅外探測和熱電成像方面有重要的套用。駐極體是一類具有長期存儲電荷能力的電介質材料，兼具壓電和熱電等功能效應，已廣泛用於聲電和電聲感測器和靜電複印技術。光頻電場作用下電介質的極化過程表現為電子相對於原子核的光頻振動，被極化的物質成為電磁波（光波）的發射源。如果入射光頻電場很強將引起非線性極化，即發射的光波中有二倍於或多倍於入射光頻率的成分。這是非線性光學效應的表現。非線性光學效應是雷射倍頻等技術的基礎。光頻範圍極化的難易程度用折射率表示，等於光頻相對電容率的平方根。折射率可因各種外場發生變化。直流或低頻強電場作用下折射率的變化稱為電光效應。應力作用下折射率的變化稱為聲光效應。光頻強電場作用下折射率的變化稱為光折變效應。基於這些效應分別發展了電光材料、聲光材料和光折變材料。它們在光學和光電子技術中有重要套用。

介電擊穿　

電絕緣特性與上述各種性能不同，指的是電介質對強電場的耐受能力，主要指標是擊穿強度，即介質不被擊穿的最大電場。擊穿是強電場下空間電荷的大量激發、強烈轉移並導致結構破壞的現象。電絕緣材料雖然關係到束縛電荷在強電場下的極化限度，但它涉及的主要不是極化問題。歷史上電介質與絕緣體幾乎是同義詞，那時電介質只是作為絕緣材料得到實用。後來在電介質中發現了多種功能效應，大大擴展了電介質的套用範圍。但由於電的使用離不開絕緣材料，無論過去、現在或將來電絕緣材料都是不可或缺的，所以電絕緣特性也是電介質物理的研究內容。固體電介質的擊穿有電擊穿、熱擊穿和化學擊穿三種類型。電擊穿又稱本徵擊穿。

介質中總是存在少量的傳導電子，當它們在強電場中被加速，所得到的能量超過其與晶格碰撞失去的能量並被繼續加速時，可在介質中產生碰撞電離，結果電導急劇上升導致擊穿。介質中由電導和介電損耗所產生的熱量超過試樣通過傳導、對流和輻射所散發的熱量時，試樣中的熱平衡就被破壞，溫度不斷上升造成介質永久性破壞，這就是熱擊穿。化學擊穿起源於電化學反應。介質中強電場產生的電流在高溫等條件下可引起電化學反應，如出現電解、還原等。分離出來的物質在兩電極間構成導電通路，或介質中的氣泡放電形成一氧化碳之類的有害物質使氣泡與壁接觸處腐蝕，使局部電導增加導致局部擊穿，最後擴展成完全擊穿。電介質的擊穿涉及材料的結構、雜質、缺陷、電子與聲子以及電子與電子的相互作用，雖經多年努力，但仍沒有得到很好的解決。

推薦書目

鐘維烈.鐵電體物理學.北京:科學出版社,1996.　夏鐘福.駐極體.北京:科學出版社,2001.　殷之文,方俊鑫.電介質物理學.北京:科學出版社,2003.