电介质物理 第一章电介质物理课程.docxVIP

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（），相同原子组成的双原子分子（）对称结构的多原子分子（）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。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：实部随频率的增加而下降，虚部代表介质的损耗，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，实部降至新恒定值，虚部变为零，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，先突然增加，随即徒然下降，同时又出现峰值，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，这时实部取更小值，称光频介电常数，虚部对应于光吸收。电子位移极化或离子位移极化在光频范围的色散称谐振色散，光频介电常数随频率的增加而略有增加，称正常色散。在某些光频频率附近，实部先突然增加随即徒然下降，下降部分称反常色散，与此同时，虚部出现强烈的吸收，有很大的峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收。根据电磁波理论，介质对光的折射率n的平方等于相对介电常数，，在极高的光频电场作用下，只有电子过程才起作用。共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程，弛豫过程决定于微观粒子间的相互作用，当相互作用很强时，色散曲线和吸收曲线过渡到极端的弛豫型。研究电极化和弛豫是电介质物理的基本课题，涉及电荷的分布，起伏，带电粒子间的相互作用。固在电介质物理研究中，一方面需很好的实验手段，一方面要求具备优良的理论武器，电动力学、量子力学、热力学和统计物理始终是研究和探讨本学科必不可少的理论基础手段。（作图）静电场中的电介质§1.1真空中的静电场库仑定律：两个点电荷之间是由指向沿方向的单位矢量。是由指向沿方向的单位矢量。且= ，= 对国际制SI 真空介电常数多个点电荷、……作用点电荷上库仑作用力可用迭加原理求得：把真空看作一种线性介质，则是于作用电荷无关的常量（电介质的参数不随场量的数值发生变化的媒质）是到q的位置矢量，库仑力是长程力，库仑定律对于相距至若干公里巨大范围的点电荷均成立。静电场静电场对观察者来说是静止的，其电量不随时间变化的电荷引起的电场。⑴.电场强度定义是试验电荷，电量很小。物理意义：电场中某点单位正电荷所受的力。点电荷在真空中距它处的场强，取q位于坐标原点，为方向的单位矢量。当q不位于坐标原点，位于处，场点为处，则原点距场点其单位矢量其场强几个点电荷的场源在场点处引起的场强连续分布的电荷，其电荷元dq