电介质物理课程.pdf

电介质物理课程 前言： 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。 电介质的分类：电介质可以是气态、液态、固态，分布极广。电介质不必一定是绝缘体，但绝缘体是 典型的电介质。广义上说，电介质不仅包括绝缘材料，而且还包括多种功能材料。一般把电介质分成了两 大类：⑴极化电介质 ⑵非极化（中性）电介质 物质的分子由原子（原子团或离子）组成，每个原子均带有等量的正电荷和负电荷，当物质体积足够 大又无外电场作用，物质均呈中性，任何物质分子的电荷代数和等于零，但不同物质分子电荷在空间的分 布是不同的，当无外电场时，分子的正电荷重心与负电荷重心相重合，该分子称非极性（中性）分子，由 非极性分子组成的电介质称非极性（中性）电介质。当无外电场作用时，分子的正、负电荷重心不相重合， 即分子具有偶极矩，这种分子称极性分子。由极性分子组成的电介质称为极性电介质。 影响电介质分子极性大小的因素：⑴分子化学结构，分子结构对称，分子正电荷重心和负电荷重心均 与其对称中心相重合，则分子为非极性的，反之分子结构不对称，则分子为极性的。例如，单原子分子 （ H , N , A ,K ），相同原子组成的双原子分子（ H ,N , CI ）对称结构的多原子分子 e e r r 2 2 2 （CO , C H , CCl ）等为非极化性的；⑵原子的正负性（表示元素原子在分子中吸收电子的能力，它等 2 6 6 4 于原子的电离能和电子亲合能之和）；⑶原子在分子中的排列相对位置。 电介质的极化和弛豫是电介质物理的基本研究课题。 电极化过程与物质结构密切相关，电介质物理学的发展总是与物质结构的研究相呼应，电极化的三个 过程： ⑴.原子核外电子云的畸变极化，即电子位移极化； ⑵.分子中正负离子的相对位移极化，即离子位移极化； ⑶.分子固有电矩的转向极化。 在外场作用下，介质的相对介电常数ε是综合地反映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率ω的 函数ε(ω) 。只当频率为零或频率很低（例如 1KHZ）时，三种微观过程都参与作用，可能出现电子极化， 离子（原子）极化和偶极子转向极化，这时介电常数ε(0) 对于一定的电介质而言是常数，随着频率的增加， 分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，介电常数取复数形式： ε(ω) ε (ω) −iε (ω) 实部ε (ω) 随频率的增加而下降，虚部ε (ω) 代表介质的损耗，虚部出现峰值，这种变化规律称弛豫 型。介电常数随频率变化的现象称色散现象。偶极子转向极化在电频范围的色散现象属于弛豫色散，这是 由于分子间相互碰撞或周围分子的束缚作用而引起的。频率再增加，实部ε (ω) 降至新恒定值，虚部ε (ω) 变为零，这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成不再作出响应。当频率进入红外区，分子中正、负离 子电矩的振动频率与外场发生共振时，ε (ω) 先突然增加，随即徒然下降，同时ε (ω) 又出现峰值，过此 以后，正、负离子的位移极化亦不起作用了，在可见光区以至到紫外区，只有电子云的畸变对极化有贡献， 1 3.非球状分子的电子位移极化率