【摘要】 在外电场的影响下,宏观上不等于零的电偶极矩被称为电极化,能产生电极化现象的物质统称为电介质。

电介质定义:

在外电场的影响下,宏观上不等于零的电偶极矩被称为电极化,能产生电极化现象的物质统称为电介质。

电介质包括气体、液体和固体,分布广泛。研究电介质在外电场作用下约束电荷的电极化过程,阐明其电极化规律与介质结构的关系,揭示介质宏观介电性质的微观机制,从而发展电介质的作用是电介质物理的主要内容。

电介电极化的三个过程:

①核外电子云原子畸变极化;

②分子中正、负离子位移极化(相对);

③分子器的固有电矩转变为极化。

介质介电常数在外部电场的影响下ε这三个微观过程的宏观物理量是综合体现的;这就是频率;ω的函数ε(ω)。只有在频率很低的情况下,才能参与三个微观过程,此时介电常数ε(0)对某些电介质来说是一个常数,统称为介电常数,即低频介电常数(或静电介电常数频率为零时)εs)。

随著频率的增加,分子固有电矩的转变逐渐落后于外场的变化,此时,介电常数采用复数形式。ε(ω)=ε′(ω)-jε″(ω),其中虚部ε″(ω)代表介电损耗;这是由于电极化过程落后于外电场的变化造成的。随着频率的增加,实部显著降低,虚部出现峰值。

频率再次增加,实部ε′(ω)降至新值,虚部ε″(ω)变为零,这意味着分子固有电矩的极化无法响应。当频率进入红外区时,分子中正和负离子电矩的振动频率与外场产生共振,实部ε′(ω)首先突然增加,然后突然减少,ε″(ω)再次出现峰值;之后,正、负离子的位移极化也不起作用。

只有电子云的畸变极化才能在能见光区发挥作用,此时实部取较小的值,称为光频介电常数,记录下来ε→∞,光吸收对应虚部。光频介电常数ε→∞实际上,随着频率的增加而略有增加,这是正常的散射。在某些频率下,实部ε′(ω)首先突然增加,然后突然减少,同时虚部ε″(ω)出现峰值,与电子跃迁共振吸收相对应。

介电常数:

当介质加入电场时,会产生感应电荷,削弱电场。相对介电常数是同一原电场中某个介质中电容率与真空中电容率的比例。(relativepermittivity),又称相对电容率,以εr表示。如果将高介电常数的材料放入电场,电场的强度将大大降低到电介质中。介电常数(也称为电容率)ε表示,ε=εr×ε0,ε0绝对介电的真空常数,ε0=8.85×10-12F/m。值得注意的是,一般材料的介电常数与检测次数密切相关。

介电损耗:

介电损耗是指电介质本身在交变电场中发热的现象,因为它消耗了一些电能。表示电介质材料(如绝缘材料)质量的指标之一。电介质设备在电场的影响下造成的能量损耗。如果介电损耗越小,绝缘材料的质量越好。如果介电损耗过大,介电温度会上升过高,加速介电材料的热分解和老化,最终导致绝缘性能的完全丧失。