電介質的極化

1、3.3 電介質的極化3.3.1 位移極化和取向極化電介質的極化：在外電場作用下，電介質表面出現電荷的現象，這些電荷稱為極化電荷。1、電介質的分類（1）無極分子：每個分子的正、負電荷“重心”在沒有外場作用時重合，因此分子偶極矩為零。H2、O2、N2、CO2、CH4、CCl4分子等都屬于無極分子。（2）有極分子：每個分子的正、負電荷“重心”在沒有外場作用時不重合，因此分子偶極矩非零。H2O，SO2，NH3、H2S及水、硝基苯、酯類、有機酸等分子都屬于有極分子。因為分子不斷作無規(guī)則的熱運動，所以各個分子的偶極矩雜亂無章的分布，因此在宏觀上不顯電性。2、無極分子的位移極化在外電場的作用下，介質中的無極

2、分子的正、負電荷“重心”作了一個微小的位移，形成一個等效電偶極子（具有分子電矩），它們都沿著外電場的方向整齊地排列。在均勻電介質內部空間沒有極化電荷，在垂直于外場方向的電介質表面上，分別出現正、負極化電荷，這些面極化電荷，產生宏觀電場，顯示電性。如下圖：由于無極分子的極化在于正、負電荷重心的相對位移，故稱為位移極化。介質兩表面上出現的極化電荷不能離開電介質，也不能在電介質中自由移動，故也稱為束縛電荷。3、有極分子的取向極化對有極分子的電介質，在無外場時，每個分子的正、負電荷重心不重合，且有固有電矩非零，但分子作無規(guī)則運動，宏觀不顯電性。當外場E0時，每個分子的等效偶極子將由于力偶矩的作用而轉向

3、，力偶矩力圖使每個偶極子的偶極矩轉到與場強一致的方向。顯然，E愈大，p轉向外場方向的程度愈大。這種p轉向E方向的現象稱為取向極化。如下圖：在均勻電介質內部空間沒有極化電荷，在垂直于外場方向的電介質表面上，分別出現正、負極化電荷。注意：（1）有極分子在外場作用下，除了發(fā)生取向極化外，還要發(fā)生位移極化，只是后者比前者弱得多；（2）兩類電介質極化的微觀機理不同，但宏觀效果卻是相同的，都是在外電場作用下，均勻電介質表面上出現極化電荷，激發(fā)宏觀電場，顯示電性。我們主要從宏觀上研究電介質的極化以及極化后電介質對電場的影響，今后不再區(qū)分位移極化和取向極化。3.3.2 極化強度在電介質中取一個物理無限小體積V

4、，其中有m個中性分子（m很大）：這說明不論哪一類電介質，極化總意味著V內分子的偶極矩的矢量和 p從零變?yōu)榉橇悖覙O化程度愈大時， p越大。據此特點定義一個描述極化強弱的物理量叫做極化強度矢量P。1、定義電介質中某物理無限小體積中所有分子偶極矩矢量和與該體積之比叫做該點（宏觀點）的極化強度，記作P。數學表示為：式中pi表示內第i個分子的偶極矩，求和從1到m表示遍及V內的所有分子。2、討論（1）無外場時（極化前）P = 0；（2）P為宏觀的矢量點函數。在定義中取了一個物理無限小體積，物理無限小體積實際上就是一個宏觀點；（3）均勻極化：電介質內各點的P相同。例如真空介質，它是一種特殊的電介質，因為真

5、空中V內無分子（無p），所以P = 0；（4）單位：庫/米2。 極化強度與電場強度的關系由于外場的作用，電介質產生極化現象，因此很顯然，極化強度應與電場強度E有關。1、P與E的關系實驗表明，在各向同性電介質中，每一點的極化強度與該點的場強E方向相同且大小成正比，表示為P = E。因P與E同向，故是正值，由電介質的性質決定，在國際單位制中： = 0，而0是一個常數，所以與一樣由電介質的性質決定，稱為電介質的極化率。2、討論（1）式中E并非外電場，而是極化后介質中對應點的總場強E=E0+E（極化電荷產生的電場參與后面的極化過程）。（2）稱為電介質的極化率，是反映電介質中每一點的性質的物理量。若介質中各點值相同，則稱為均勻電介質。（3）電介質分為：電介質由于其內在結構不同可分為“各向同性”和“各向異性”介質兩種，本書主要討論各向同性介質。（4）“各向同性”的含義介質中同一點，P與E的關系與方向無關。對電介質中同一點，不管場強方向如何（豎直還是水平），同一大小的場強總在自己方向上