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第五章 材料的介电性能 在外电场作用下，材料发生两种响应： 电传导 电感应 绝缘 起满足电容作用的器件 电介质基本概念 电介质：在电场作用下，束缚电荷起主要作用的 物质，称电介质。电介质的特征是以正负电荷重 心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作 用和影响。 电介质物理研究对象：研究电介质内部束缚电荷 在电场（包括电频电场和光频电场）作用下的电 极化过程；阐明其电极化规律与介质结构的关 系；揭示其宏观介电性质的微观机制，进而发展 电介质的效用。 〈经典电介质科学丛书〉首批著作出版志贺 介质以极化为本质特征，衍生多种功能效应于一体，兼秉丰富深刻之物理内涵，前程无限。叹我介电学科，相对滞后，极化之类基本问题，仍未彻底解开。更有心态浮燥，不重基础，回避难题，急功近利。诸多不足之处，吾人当自省。 —姚熹院士 姚熹乃学界之领军人物，主编《经典电介 质科学丛书》，实为胆识超群之善行义举， 功德无量。切望学者诸君，乘机奋起。须知 经典传世之作，乃学科之根本。从此精读经 典，锤炼功底，不求捷径，迎难而行。学科 大发展，势在必然中。 ——钟维烈 2008年4月 电极化强度矢量 介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m) 　　定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)。 　　某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr ，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数， 另一方面，壳层电子与原子核之间的相互吸引力的作用是使正负电中心重合。就是在这二各力的作用下原子处于一种新的平衡状态。在这个新平衡状态中该原子具有一个有限大小的感应偶极矩，用Pe表示感应偶极矩的大小，Pe与电场之间的关系为： 其中?e称为电子位移极化率。 利用玻尔原子模型，可具体估算出 的大小，即 如果用?i代表离子位移极化率；Pi代表离子位移的感应偶极矩；E代表电场强度。它们之间的关系为： 离子位移极化的特点： a) 时间很短，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. 固有偶极矩取向极化 如果组成介质的分子具有固有偶极矩（称为有极分子），例如，水分子H2O，其中氧离子与二个氢离子不是在一条直线上，而是分布在三角形的三个顶点上。因此水分子的正负电荷中心不重合，存在固有偶极矩，如图所示。 当电场 E=0时，介质中各分子的固有偶极矩的取向是无规则的，所以各偶极矩的矢量和为零，介质不存在极化。当电场 E?0时，在电场作用下，这些固有偶极矩将沿着电场方向排列，各偶极矩的矢量和不为零，介质产生极化。在离子位移极化和电子位移极化的情况，位移极化的产生是由于电场力与弹性力的共同作用下出现与电场方向平行的感应偶极矩。 电场力的作用是使正负电荷中心分离，准弹性力的作用是使正负电荷中心重合，即准弹性力起着阻碍极化的作用。电场力与准弹性力是矛盾的两个方面。 在取向极化的情况中，电场的作用是使分子的固有偶极矩转到沿电场的方向排列；而妨碍定向排列的阻力是介质中分子的热运动。 或者说，电场的作用使固有偶极矩有序化，热运动的作用使固有偶极矩无序化，电场与热运动是矛盾的两个方面。为了强调位移极化与取向极化的差别，有时也称前者为与热运动无关的极化，后者为与热运动有关的极化。取向极化与位移极化的机制不同，因此处理方法也不同。要用热运动有关的规律来解决取向极化的问题。 当电场E=0，热运动?0时，介质中各分子的固有偶极矩完全无序化； 电场E?0，热运动=0（绝对零度）时，介质中各分子的固有偶极矩完全有序化； 当电场E?0，热运动?0时，介质中各分子的固有偶极矩的排列介于上述两种情况之间。如果E愈大或温度愈低，有序化程度就愈高；E愈小，或温度愈低，有序化程度就愈低。 有极分子的分布示意图 因为当温度不等于绝对零度 （即T?0K）时，介质中各分子的热运动也不等于零，所以在一般电场作用下，介质中各分子的固有偶极矩是不能出现如图所示的完全有序化，这也表示当E=0，T?0K时，各分子的固有偶极矩在电场方向上的分量各不相同,而固有偶极矩在电场方向上的分量才对介质的极化有贡献. 计算结果,可得取向极化率 ?orien为 可以看出，取向极化率不同于位移极化率，取向极化率与温度有关，而位移极化率与温度无关。 如果介质极化时