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电介质
2020-04-01 07:48:01

介电质(英语:dielectric)是一种可被电极化的绝缘体。假设将介电质置入外电场,则束缚于其原子或分子的束缚电荷不会流过介电质,只会从原本位置移动微小距离,即正电荷朝着电场方向稍微迁移位置,而负电荷朝着反方向稍微迁移位置。这会造成介电质电极化,从而在介电质内部产生反抗电场,减弱整个介电质内部的电场。假若介电质是由弱键结的分子构成,则这些分子不但会被电极化,也会改变取向,试着将自己的对称轴与电场对齐。

介电质通常指的是可被高度电极化的物质。在原子与分子层次,极化性可以用来衡量微观的电极化性质,从极化性可以理论计算出介电质的电极化率和电容率,两个巨观的电极化性质。或者,可以直接从实验测量出介电质的电极化率和电容率。假若置入了具有高电容率的介电质,则平行板电容器的电容会大幅增加,储存于两块金属平行板的正负电荷也会增加。

介电质的用途相当广泛。介电质的电传导能力很低,再加上具备有很好的电介质强度(英语:dielectric strength)(dielectric strength)性质,就可以用来制造电绝缘体。另外介电质可被高度电极化,是优良的电容器材料。对于介电性质的研究,涉及了物质内部电能和磁能的储存与耗散。用于解释电子学、光学和固态物理的各种各样现象,这研究极端重要。

回应麦可·法拉第的请求,英国科学家威廉·晖巍(William Whewell)命名所有可被电极化的绝缘体为介电质。

介电质因响应外电场的施加而极化的程度,可以用电极化率来衡量。从电极化率又可以计算出介电质的电容率。因此,电极化率会影响介电质内各种其它可能发生的现象,像电容器的电容、光波传播于物质内部的光速等等。

对于各向同性、线性、均匀的介电质,电极化率 χ e {\displaystyle \chi _{e}} 定义为

其中, E {\displaystyle \mathbf {E} } 是电场, P {\displaystyle \mathbf {P} } 是电极化强度, ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} 是电常数。

由于电势移 D {\displaystyle \mathbf {D} } 定义为

所以,电势移与电场成正比:

其中, ϵ {\displaystyle \epsilon } 是电容率。

定义相对电容率 ϵ r {\displaystyle \epsilon _{r}} 为电容率与电常数的比例:

那么,介电质的电极化率与相对电容率的关系式为

在自由空间里,

假若介电质具有各向异性,则电极化率是一个二阶张量。

一般而言,物质无法为了要响应一个含时外电场的变化而瞬时地电极化。因此,更广义的表述必须将时间 t {\displaystyle t} 纳入考量:

那就是,电极化强度是先前时间的电场与含时电极化率 χ e ( Δ t ) {\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)} 的折积。假设每当 Δ t = t − t ′ < 0 {\displaystyle \Delta t=t-t'<0} 时, χ e ( Δ t ) = 0 {\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0} ,则这积分的上限可以延伸至无穷大:

瞬时的响应对应于狄拉克δ函数电极化率 χ e ( Δ t ) = χ e δ ( Δ t ) {\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=\chi _{e}\delta (\Delta t)} 。

对于一个线性系统,可以简单地做一个傅里叶变换,将这关系式写为频率 ω {\displaystyle \omega } 的函数:

这结果是折积定理的一个范例。

在频率空间,电极化强度与电场成正比,比例为电极化率乘以电常数。从电极化率的频率函数,可以描绘出物质的色散性质。

由于因果关系,电极化只能跟先前时间的电场有关(也就是说,每当 Δ t < 0 {\displaystyle \Delta t<0} 时,设定 χ e ( Δ t ) = 0 {\displaystyle \chi _{e}(\Delta t)=0} )。这事实迫使电极化率 χ e ( 0 ) {\displaystyle \chi _{e}(0)} 必须遵守克拉莫-克若尼约束。

介电质大致分为两类:55ff:

同一种介电质可能会涉及到几种不同的电极化机制,每一种电极化机制都有其主要活动频率,都有其特征的截止频率,超过这截止频率,对应的机制无法跟着电磁波振动,不再能贡献出电极化。对于每一种介电质,电极化机制的截止频率与电极化程度都不相同。

如左图所示,按照经典介电质模型,物质内部的每一个原子,都是由带负电荷的电子云和位于电子云中心、带正电荷的原子核所组成。假设将物质置入于外电场,则由于外电场的作用,正电荷会朝着外电场方向迁移位置,而负电荷则会朝着反方向迁移位置。正电荷与负电荷的相对位移会形成电偶极矩,这现象称为“电子极化”(electronic polarization)。由于外电场与电偶极矩的耦合,从而给出介电质的物理行为。像氦气、氖气等等一类的惰性气体最能展示出电子极化性质。假设将外电场关闭,则原子会回返原来状态。这过程所需要的时间称为弛豫时间(relaxation time)。:56-58:68

介电质的物理行为是由电场 E {\displaystyle \mathbf {E} } 与电偶极矩 p {\displaystyle \mathbf {p} } 之间的关系方程 p = p ( E ) {\displaystyle \mathbf {p} =\mathbf {p} (\mathbf {E} )} 给出。从这关系方程,可以预测出许多很有意思的物理现象,例如,折射率、色散、双折射、自聚焦(self-focusing)、谐波产生(harmonic generation)。

离子晶体中含有电荷量相等的阴离子和阳离子,并且这两种离子交替排列,整齐有规律,往往呈现出规则的几何外形。比如:氯化钠晶体呈现出立方体的空间构型,每个钠离子周围有上下前后左右共6个最近的等距离的氯离子;每个氯离子周围有上下前后左右共6个最近的等距离的钠离子。在正常状况,假设外电场为零,则巨观电偶极矩为零。但是,假设外电场不为零,则由于正离子会朝着外电场方向迁移位置,而负离子则会朝着反方向迁移位置。正离子与负离子之间的相对位移形成了“离子极化”(ionic polarization),又称为“原子极化”(atomic polarization)巨观电偶极矩不等于零。例如,氯化钠、氯化钾等等。:59:68

“取向极化”(orientation polarization)是一种特别的电极化,只出现于极性分子,又称为“二极性极化”(dipolar polarization)。这种电极化是由永久电偶极子的取向改变而产生。例如,氧原子与氢原子之间的非对称键。虽然在外电场为零的状况,每一个单独永久电偶极子仍具有极性。对于介电质内部任意位置,设定以此位置为中心的尺度够大的区域,将其内部所有电偶极矩的总合除以区域的体积,则可得到在这位置的巨观电极化强度。:59-60:68

假设施加非零外电场于此介电质,虽然正电荷与负电荷之间的距离,由于跟化学键有关,大致会保持不变,但是,感受到外电场的力矩,电偶极子会旋转,趋向于外电场的方向,从而增加巨观电极化强度。

这旋转过程发生的时间尺度与力矩和周围的局域黏滞性有关。这旋转过程不是瞬时的,由于在时间方面的延迟,假设电场的变化频率足够高,介电质会失去响应的能力。另外,电偶极子的旋转运动会造成摩擦和发热。水分子能够微波加热就是应用这效应。

处于电场的介电质,其内部的电荷载子可能会迁移一段距离,假若这些电荷载子的迁移运动被阻碍,例如在非均质材料的结构界面,由于电荷累积,会发生“界面极化”(interfacial polarization)现象。很多种陶瓷材料都会发生界面极化现象,特别是当处于高温状况。:60-61

上述几种电极化机制并不互相排斥。介电质的总电极化强度是所有可能电极化机制的总合。非均质介电质的总电极化强度 P T {\displaystyle \mathbf {P} _{T}} 为:61

其中, P e {\displaystyle \mathbf {P} _{e}} 是电子极化强度, P o {\displaystyle \mathbf {P} _{o}} 是取向极化强度, P a {\displaystyle \mathbf {P} _{a}} 是原子极化强度, P s {\displaystyle \mathbf {P} _{s}} 是界面极化强度。

均质介电质的总电极化强度 P T {\displaystyle \mathbf {P} _{T}} 为

对于像氦气、氖气一类的非极性介电质,由于没有离子键,

对于像氯化钠、氯化钾一类的离子晶体,由于在正常状况,取向极化强度为零,所以

由于含时外电场的作用,介电质内部的带电粒子会迁移位置。但是,这动作需要时间来完成。所以,对于外电场的变化,响应的电极化在时间方面必定会有所推迟。这意味着牵涉到的电极化机制密切地跟外电场的频率有关::81-82:

假设缓慢地调高频率,这些极化现象会一个接着一个的消失,电容率的趋势也会越来越低。在频率大于紫外线的频域,电极化率趋向于零,电容率趋向于电常数 ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}} 。因为电容率表现电极化强度与电场之间的关系,假若电极化的响应能力减弱,则电容率也会随之减小。

离子导电现象会对介电损耗 ϵ r ″ {\displaystyle \epsilon _{r}''} 做出有限贡献。这现象时常会发生于湿物质,处于低频率电场的溶剂,其内部的自由离子会出现电解传导效应,这称为“离子导电”(ionic conduction),对介电损耗的影响,以方程表示为 σ / ω ϵ 0 {\displaystyle \sigma /\omega \epsilon _{0}} ;其中, σ {\displaystyle \sigma } 是电导率, ω {\displaystyle \omega } 是电场频率。

使用介电质材料最显著的优点是,能够防止两块分别储存正负电荷的平行板互相发生接触,从而造成短路。更重要的原因是,给定电压 V {\displaystyle V} ,高电容率可以促使更多电荷储存于平行板。这可以从电荷量 Q {\displaystyle Q} 与电容率的关系式得知:

其中, A {\displaystyle A} 为电容器平行板的面积, d {\displaystyle d} 为两块平行板之间的距离。

由于电容 C {\displaystyle C} 与电荷量的关系式为

给定电压,电容率越高,储存于平行板电荷量也变得越大,电容也会增高。

另外,制作电容器的介电质材料必需能够抵抗电离作用。这性质允许电容器能够在更高电压运作,不会过早因为电离作用而出现电流。

介电质共振器(orientation polarization)是一种电子元件,能够造成在狭窄频域内的共振,通常这狭窄频域为微波频带。介电质共振器的介电质材料是高电容率与低耗散因子(dissipation factor)的陶瓷。这种共振器时常用为震荡电路的频率参考。无屏蔽介电质共振器可以用为介电质共振器天线(dielectric resonator antenna)。

介电质可以是固体,液体,或气体。另外,高真空也是一种有用、无损失的介电质,虽然其相对电容率仅为1。

固态介电质被广泛使用于电子工业,是非常优良的绝缘体,例如瓷器、玻璃、大多数种类的塑胶。三种最广泛使用的气态介电质(gaseous dielectric)为空气、氮气与六氟化硫。

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