电介质的极化

在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。电介质的极化机制　①电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩pe＝el(l由负电中心指向正电中心，e是电荷量，见电偶极子)。当电场不太强时，电偶极矩pe同有效电场成正比，pe=αeE，式中αe称为电子极化率。②离子极化又称为原子极化，是在正负离子组成的物质中异极性离子沿电场向相反方向位移形成电偶极矩pa。pa与有效电场成正比，pa=αaE，αa称为离子极化率，这两种极化都同温度无关。③固有电矩的取向极化，某些电介质分子由于结构上的不对称性而具有固有电矩p。在无外电场时，由于热运动，这些分子的取向完全是无规的，电介质在宏观上不显示电性。在外电场的作用下，每个分子的电矩受到电场的力矩作用，趋于同外场平行，即趋于有序化；另一方面热运动使电矩趋于无序化。在一定的温度和一定的外电场下，两者达到平衡。固有电矩的取向极化也可以引入取向极化率αd描述，当电场强度不太大而温度不太低时，，k是玻耳兹曼常数，T是热力学温度。这种极化同温度的关系密切。④界面极化，由于电介质组分的不均匀性以及其他不完整性，例如杂质、缺陷的存在等，电介质中少量自由电荷停留在俘获中心或介质不均匀的分界面上而不能相互中和，形成空间电荷层，从而改变空间的电场。从效果上相当于增强电介质的介电性能。电介质的极化是这四种极化机制的宏观总效果。克劳修斯－莫索提公式　在介质内部，作用于分子或原子的电场不单是外加的宏观电场E(自由电荷和极化电荷产生的总电场），还应包括电介质内部所有其他分子的电矩p产生的电场。作用于分子或原子的这种电场叫做有效场(或局部场)。对于偶极子的无规排列或对于纯立方阵排列晶体，有效电场，P为电极化强度，称为洛伦兹有效场。由此可得出关于电介质相对介电常数εr与分子极化率α的克劳修斯-莫索提公式，式中N为单位体积内的分子数。对于非极性分子的电介质，这一公式与实验符合得相当好，但它不能说明强极性分子的行为。实验上可根据测定的εr由此式确定极化率α，对于弱极性电介质，可由它确定极性分子的电偶极矩。极化弛豫　电介质的极化是一个弛豫过程，从施加电场到达极化平衡需要一定的时间，这个滞后的时间用弛豫时间τ描述。电子极化和离子极化的时间非常短，而固有电矩的取向极化与热平衡性质有关，界面极化与电荷的堆积过程有关，它们则有较长的弛豫时间。极化弛豫现象造成电介质内部电位移D和场强E具有一定的位相差，是引起电介质损耗的一个原因，研究极化弛豫可获得关于物质结构的知识。自发极化　普通的电介质当场强不太大时，P同E成正比关系，场强回到零时，极化也为零。然而也存在一些电介质在一定的温度下，当外电场撤离后仍有一定的极化，称为自发极化。自发极化不能被外电场反转的电介质称为热电体，自发极化可被外电场反转的电介质称为铁电体。在铁电体中极化强度同电场的关系构成电滞回线。电滞回线表明铁电体中存在电畴，它是一些具有正负极性的自发极化区。铁电体中一般包含若干个电畴，相邻电畴的边界称为畴壁。对于单晶体的铁电体只有在足够强的电场下，电畴都沿外电场取向而成为单畴结构。铁电体也存在一临界温度（称为铁电居里点）。当铁电体的温度高于此温度时，铁电性消失，铁电相成为顺电相。极化灾变　是指在某些临界条件下，极化变得很大，此时由极化引起的有效场比晶体中作用在离子上的弹性恢复力增加得更快，导致离子从平衡位置移动的不对称性，引起点阵的畸变，位移型铁电性的出现就与一定温度下点阵对称性的降低有关。极化灾变是引起铁电性的原因。