电介质

物理学科术语

电介质是能够被电极化的绝缘体。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。

范畴

电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质，也包括真空。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等，是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。

变化

通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消，宏观上不表现出电性，但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化：

①原子核外的电子云分布产生畸变，从而产生不等于零的电偶极矩，称为畸变极化；

②原来正、负电中心重合的分子，在外电场作用下正、负电中心彼此分离，称为位移极化；

③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的，宏观上电偶极矩总和等于零，在外电场作用下，各个电偶极子趋向于一致的排列，从而宏观电偶极矩不等于零，称为转向极化。

应用于显示的液晶，在静电效应的应用和防护方面的材料，可用于隐形技术方面的微波电介质材料，以及作为结构材料应用的电介质。

特殊效应

对电介质特殊效应的理论和应用构成了电介质物理学另一方面的研究内容。这些特殊效应包括：

①压电效应。一些晶体因受外力而产生形变时，会发生极化现象，在相对两面上形成异号束缚电荷，称为压电效应。压电晶体种类很多，常见的有石英、酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氢铵（ADP）、钛酸钡，以及砷化镓、硫化锌等半导体和压电陶瓷等。压电晶体的机械振动可转化为电振动，常用来制造晶体振荡器，其突出优点是振荡频率的高度稳定性，无线电技术中可用来稳定高频振荡的频率，这种振荡器已广泛用于石英钟。压电晶体还普遍用于话筒、电唱头等电声器件中。利用压电现象可测量各种情形下的压力、振动和加速度等。

②电致伸缩。是压电效应的逆效应。一些晶体在电场作用下会发生伸长或缩短形变，称电致伸缩。利用电致伸缩效应可将电振动转变为机械振动，常用于产生超声波的换能器，以及耳机和高音喇叭等。

③驻极体。除去外电场或外加机械作用后，仍能长时间保持极化状态的电介质称为驻极体。驻极体同时具有压电效应和热电效应。技术上大多采用极性高分子聚合物作为驻极体材料。驻极体能产生30千伏/厘米的强电场。驻极体能存储电荷的性能已被用于静电摄影术和吸附气体中微小颗粒的气体过滤器。

④热电效应。具有自发极化造成的宏观电偶极矩，并具有较大热胀系数的晶体称为热电晶体。处于自发极化状态的热电晶体，在电偶极矩正、负两端表面上本来存在着由极化形成的束缚电荷，但由于吸附了空气中的异号离子而不表现出带电性质。当温度改变时，热电晶体的体积发生显著变化，从而导致极化强度的明显改变，破坏了表面的电中性，表面所吸附的多余电荷将被释放出来，此现象称为热电效应。经人工极化的铁电体和驻极体都具有热电效应。热电效应已用于红外线探测和热成像技术。

⑤电热效应。热电效应的逆效应，具有电热效应的电介质（多为驻极体）称为电热体。在绝热条件下借助于外电场改变电热体的永久极化强度时，它的温度会发生变化，此称为电热效应。绝热去极化可降低温度，与绝热去磁法（见磁热效应）一样可用来获得超低温。常用的电热材料有钛酸锶陶瓷和聚偏氟乙烯（PVF）等驻极体。

⑥电光效应。某些各向同性的透明电介质在电场作用下变成光学各向异性的效应。

⑦铁电性。在一些电介质晶体中存在许多自发极化的小区域，每个自发极化的小区域称为铁电畴，其线度为微米数量级。同一铁电畴内各个电偶极矩取向相同，不同铁电畴的自发极化方向一般不同，因而宏观上总的电偶极矩为零。在外电场作用下各铁电畴的极化方向趋于一致，极化强度P与电场强度E有非线性关系。在峰值固定的交变电场反复作用下，P与E的关系曲线类似于磁滞回线（见铁磁性），称为电滞回线。以上性质称为铁电性，具有铁电性的电介质称铁电体。当温度升高到某一临界值Tc时，铁电畴互解，铁电性消失，铁电体转变为普通顺电性电介质，Tc称为铁电居里温度。铁电体具有很高的电容率。铁电体必定同时具有压电性和热电性。

⑧铁弹性。一些晶体在其内部能形成自发应变的小区域，称为铁弹畴，同一铁弹畴内的自发应变方向（畴态）相同，任两个铁弹畴的畴态相同或呈镜面对称。外加应力可使铁弹畴从一个畴态过渡到另一畴态。外应力改变时，应变滞后于应力变化，且应力与应变是非线性关系。在周期性外应力作用下，应变与应力的关系曲线类似于磁滞回线，称为力滞回线。以上性质称为铁弹性，具有铁弹性的电介质称为铁弹体。铁弹体的电容率、折射率、电导率、热胀系数、导热系数、弹性模量和电致伸缩率等因方向而异，且这种方向性会随应力而变，利用这些特点在制造力敏器件上有着广泛的应用前景。

分类

1、分子的等效正电中心和等效负电中心：

电介质均由分子和原子组成，每个分子中所有正电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的正点中心；同理，每个分子中所有负电荷对外界作用的电效果可以等效为集中在某一点的等效点电荷的作用效果，这个等效点电荷的位置称为分子的负点中心；

2、有极分子电介质：

电介质中各分子的等效正电中心与等效负电中心不重合的电介质；正点中心和负电中心分别可用等量异号电荷代替，二者有一相对位移，这样每个分子对外界的电性效果可以等效为一个电偶极子的作用。

3、无极分子电介质：

电介质中各分子的等效正点中心与等效负电中心重合的电介质。

可以认为每一个分子的正电荷q集中于一点，称为正电荷的“重心”，负电荷-q集中于一点，称为正负电荷的“重心”；定义从负电荷的重心到正电荷的重心的矢径为，则分子可以构成的电偶极子。

电结构

（1）电子被原子核紧紧束缚；

（2）在静电场中电介质中性分子中的正、负电荷仅产生微观相对运动；

（3）在静电场与电介质相互作用时，电介质分子简化为电偶极子。电介质由大量微小的电偶极子组成；

（4）电介质在外电场中→极化→产生极化电荷→产生附加电场→作用于电介质→达到静电平衡。

区别

电工中一般认为电阻率超过 10欧/厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下，这些电荷也只能在微观范围内移动，产生极化。在静电场中，电介质内部可以存在电场，这是电介质与导体的基本区别。

常用

电工中常用电介质有：

气体电介质有空气、氢气、六氟化硫(SF6)，

液体电介质有变压器油、石油、纯水，

固体电介质有云母、瓷、橡胶、纸、聚苯乙烯。

电偶极子

电介质处于外加电场中时，会出现电偶极子。电偶极子是指相距很近但有一距离的两个符号相反而量值相等的电荷。例如将氢原子放在一个由某外电源提供的电场中,若外电场为零,常态下电荷分布是球对称的，正负电荷的平均位置重合，不形成电偶极子。若有外电场时,电场将负电荷向下拉，将正电荷向上推,正电荷与负电荷的平均位置不再重合,将形成电偶极子(见图)。电偶极子在它的周围要产生电场。其特征可用它的电偶极矩p表示,p=qd。这里q是每个电荷的电量（绝对值）;d 的量值等于两电荷间距离,其方向规定由负电荷指向正电荷。

极化

电介质中电偶极矩的矢量和不为零的现象。电介质可分为两类：一类是非极性电介质（常态下介质内分子的正负电荷的平均位置重合），另一类是极性电介质(常态下介质内分子的正负电荷的平均位置不重合)。在无外电场作用时，非极性电介质分子的等效电偶极矩为零；极性电介质分子由于排列杂乱无章，其等效电偶极矩的矢量和亦为零。在有外电场作用时，非极性电介质分子的正负电荷平均位置相对位移，极性电介质分子的电偶极矩发生转向。这样，都将出现极化现象。极化的程度，可用电极化强度P表示。P为每单位体积内的电偶极矩，即它是矢量,其单位在国际单位制中是库仑/米2。根据实验，许多电介质的电极化强度P与电场强度E成正比,即

式中ε0为真空介电常数；χ为电极化率,对于各向同性电介质为一标量，对于各向异性电介质为一张量。

某些电介质中偶极分子间作用很强,无外电场时,在小体积内分子互相平行排列，形成有宏观偶极矩的电畴。这种无外电场时电畴内部分子已出现极化的现象称为自发极化。热释电材料、铁电材料均有自发极化。当然，这类有电畴结构的电介质,由于电畴之间的排列无序,故无外电场时，整体上也不显示出极化。　电位移　电场强度乘以真空介电常数并与电极化强度相加之合成矢量，即为电位移D

或表示为电介质的本构方程D=εE式中ε为电介质的介电常数。根据高斯通量定理

这表明电位移D的通量是由自由电荷qf发出的。束缚电荷虽然可能影响D的分布,但不会发出D的通量。在有些情况下使用该式更加方便，因为该式等号右端项中不包含束缚电荷。在时变电磁场中,电位移的时间变化率就是位移电流密度。电位移的单位在国际单位制中为库仑/米2(C/m2)。

应用

在电工技术中，电介质主要用作为电气绝缘材料，故电介质亦称为电绝缘材料。随着科学技术的发展，发现一些电介质具有与极化过程有关的特殊性能。如不具有对称中心的晶体电介质，在机械力的作用下能产生极化，即压电性；不具有对称中心，而具有与其他方向不同的唯一的极轴晶体存在自发极化，当温度变化能引起极化，即具有热释电性；当自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变，它的极化强度与外施电场的关系曲线与铁磁材料的磁化强度与磁场的关系曲线极为相似，即具有电滞曲线(铁电性)。具有压电性、热释电性、铁电性的材料分别称为压电材料、热释电材料、铁电材料。这些具有特殊性能的材料统称为功能材料。它是电介质的一个重要组成部分。可用作机械、热、声、光、电之间的转换，在国防、探测、通信等领域具有极为重要的用途。

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