電介質(zhì)的極化響應(yīng)課件

現(xiàn)象1現(xiàn)象11++

+++-----++

+++-----真空下，平板電容器極板上的電荷為Q0，則：加入電介質(zhì)后，平板電容器極板上的電荷為自由電荷Q0和束縛電荷之Q’和，即：+++++-----+++++-----真空下，平板電容2現(xiàn)象2現(xiàn)象23極化的定義：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場(chǎng)方向感應(yīng)出偶極矩，即在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷的物理現(xiàn)象。極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度定義為電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的向量和，即量綱：庫(kù)/米2C/m2-q+qu極化的定義：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場(chǎng)方向感應(yīng)出偶極矩4極化強(qiáng)度是電場(chǎng)所引起的一種響應(yīng)。在各向同性線性電介質(zhì)中，e為標(biāo)量，稱為宏觀極化率。在物理意義上，可用相對(duì)介電常數(shù)r或宏觀極化率e來描述物質(zhì)的介電性能。電介質(zhì)極化的宏觀概念極化強(qiáng)度是電場(chǎng)所引起的一種響應(yīng)。在各向同性線性電介質(zhì)中，e5當(dāng)兩電極間為真空時(shí)：當(dāng)電極間加入介電常數(shù)為r的介質(zhì)后，由于電位移只取決于自由電荷Q0，所以：因此：電介質(zhì)因極化使電場(chǎng)比真空時(shí)減少1/r倍，而電容量增大r倍。當(dāng)兩電極間為真空時(shí)：當(dāng)電極間加入介電常數(shù)為r的介質(zhì)后，由于6電介質(zhì)極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場(chǎng)作用下，雖然正電荷沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆電場(chǎng)方向移動(dòng)，但它們并不能離開介質(zhì)形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對(duì)位移——出現(xiàn)偶極矩，這個(gè)現(xiàn)象叫做極化。非極性介質(zhì)離子型介質(zhì)極性介質(zhì)電介質(zhì)極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場(chǎng)作用下，雖然正電7宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因?yàn)椋喝缭O(shè)N為單位體積內(nèi)的偶極矩?cái)?shù)，且把每個(gè)偶極矩看成相等，則：宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因?yàn)椋喝缭O(shè)N為單位8對(duì)來說，不僅與宏觀電場(chǎng)有關(guān)，同時(shí)還受到電介質(zhì)內(nèi)其他粒子感應(yīng)偶極矩產(chǎn)生電場(chǎng)的影響。有效電場(chǎng)：實(shí)際上引起電介質(zhì)中粒子產(chǎn)生感應(yīng)電極矩的電場(chǎng)，稱為有效電場(chǎng)。定義：微觀極化率，與電介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)對(duì)來說，不僅與宏觀電場(chǎng)有關(guān)，同時(shí)還受到電介質(zhì)內(nèi)其他9由此：——微觀極化——宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程由此：——微觀極化——宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程10分子的極化及極化率：根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；偶極矩轉(zhuǎn)向極化。分子的極化及極化率：11電子位移極化定義：在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，其極化率稱為電子位移極化率。E電荷中心重合電荷中心不重合電子位移極化定義：在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)12極化建立和消除的時(shí)間極短。電子極化又稱光頻極化，振動(dòng)頻率在光頻范圍。電子位移極化的特點(diǎn)：在外電場(chǎng)作用下，電子云相對(duì)原子核的位移是彈性聯(lián)系（沒有介質(zhì)損耗）。引起介電常數(shù)增加。極化建立和消除的時(shí)間極短。電子極化又電子位移極化的特點(diǎn)：13電子極化率求解的簡(jiǎn)化模型-QQdRE1.原子電子云模型

一個(gè)原子可以看作是一個(gè)電荷為+Q的正電核和周圍均勻分布、半徑為R、介電常數(shù)為0的球狀電子云組成。電子極化率求解的簡(jiǎn)化模型-QQdRE1.原子電子云模型14當(dāng)E不為0時(shí)，以電子云中心為參考點(diǎn)，原子核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)d，使核移動(dòng)的電場(chǎng)力為：原子核移動(dòng)后受到電子云的庫(kù)倫力為：有效電子云的電量！當(dāng)E不為0時(shí)，以電子云中心為參考點(diǎn)，原子核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)d，15原子核受到的電場(chǎng)力和電子云的庫(kù)倫力平衡：即：因此，電偶極矩：極化率：原子核受到的電場(chǎng)力和電子云的庫(kù)倫力平衡：即：因此，電偶極矩：16已知?dú)湓影霃絉=0.78A1.證明氫原子的電子位移極化率αe=4πε0R3,ε0=8.85*10-12F/m。2.

若氫原子處于E=100V/m的電場(chǎng)中，求氫原子的感應(yīng)電矩μ。RdQSEFf解：如圖所示，在電場(chǎng)E的作用下，原子核相對(duì)電子云中心位移距離為d，已知?dú)湓影霃絉=0.78ARdQSEFf解：如圖所示，在電17則：F=fF=QEf=QES即：所以：則：F=fF=QEf=QES即：所以：182.圓周軌道模型用玻爾原子模型來考慮被研究原子。即，一個(gè)電電荷-Q沿著環(huán)繞電荷為+Q的原子核作軌道運(yùn)行。o2.圓周軌道模型o19oAMdFE=QEFEFRRF外加電場(chǎng)后，電場(chǎng)力FE和庫(kù)侖力FR的平衡關(guān)系：由于：所以：極化率oAMdFE=QEFEFRRF外加電場(chǎng)后，電場(chǎng)力FE和庫(kù)侖力20同族元素：e由上到下增大(外層電子數(shù)增加，原子半徑增大)同周期元素：不定(外層電子數(shù)增加，但軌道半徑可能減小)

離子的電子位移極化率的變化規(guī)律與原子大致相同。

離子半徑大，極化率大；

實(shí)測(cè)電子位移極化率與理論結(jié)果仍有差別，但研究發(fā)現(xiàn)，e/40R3值大，對(duì)極化貢獻(xiàn)大，如：Pb2+;

電子位移極化率與溫度無關(guān)，因?yàn)?，R與T無關(guān)；

極化率為快極化：10-14–10-16s，極化無損耗。電子位移極化的結(jié)論同族元素：e由上到下增大(外層電子數(shù)增加，原子半徑增大)21原子或離子實(shí)測(cè)電子極化率e10-40F?m2原子半徑a10-10me/40a3B0.0220.261.14Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89Hg2.211.121.41C0.0130.201.50O3.0691.321.20S6.551.741.12Zr0.890.871.21Cu2.011.001.81原子或離子實(shí)測(cè)電子極化率e10-40F?m2原子半徑e22水分子的偶極矩：O2-H+H+104oH+R水分子的偶極矩：O2-H+H+104oH+R23O2-H+H+2H+REE2E1O2-H+H+2H+REE2E124水分子的偶極矩等于：6.110-30庫(kù)米，為強(qiáng)極性分子。同樣分子結(jié)構(gòu)的CO2則為非極性分子（因它的鍵角為180o）。水分子的偶極矩等于：6.110-30庫(kù)米，為強(qiáng)極性分子。25離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionicpolarization)。極化率用i表示。離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移26-q+qE-q+q無外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子沒有相對(duì)位移，對(duì)晶體的總偶極矩沒有貢獻(xiàn)。有外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移，對(duì)晶體的總偶極矩有較大貢獻(xiàn)。當(dāng)相對(duì)位移不是很大時(shí)，可以將正、互離子之間的回復(fù)力看成準(zhǔn)彈性力。設(shè)彈性系數(shù)為K，平衡時(shí)FE=Fr，即qE=Kr。FE=KrFr=qE-q+qE-q+q無外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子沒有相對(duì)位移，對(duì)晶體27正、負(fù)離子位移形成的偶極矩為：于是：？？？正、負(fù)離子位移形成的偶極矩為：于是：？？？28設(shè)正、負(fù)離子的質(zhì)量分別為m1和m2，其固有諧振角頻率和固有諧振頻率滿足：根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解Ｋ值其中，m為離子對(duì)的折合質(zhì)量：設(shè)正、負(fù)離子的質(zhì)量分別為m1和m2，其固有諧振角頻率和固有29利用波動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)的關(guān)系：則：利用波動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)的關(guān)系：則：30式中可由吸收光譜測(cè)得，其它參數(shù)為已知常數(shù)。式中可由吸收光譜測(cè)得，其它參數(shù)為已知常數(shù)。31離子位移極化的結(jié)論離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，均在40（10-10）310-40法·米2數(shù)量級(jí)；離子位移極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化；離子位移極化只與離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與溫度無關(guān)；離子位移極化建立或消除時(shí)間與離子晶格振動(dòng)周期有相同數(shù)量級(jí)，10-12~10-13秒。離子位移極化的結(jié)論離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同32偶極子轉(zhuǎn)向極化偶極子轉(zhuǎn)向極化33當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來看，偶極矩不再等于零，而出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。固有偶極矩極化建立時(shí)間：10-6~10-2秒，為慢極化。當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電34熱離子極化容易發(fā)在晶體缺陷區(qū)域部分或玻璃體內(nèi)。

——弱聯(lián)系體Ｕ缺陷區(qū)ＵＸ?zé)犭x子極化（離子松弛極化）為慢極化，建立時(shí)間約為10-2-10-6秒。熱離子極化容易發(fā)在晶體缺陷區(qū)域部分或玻璃體內(nèi)。Ｕ缺陷區(qū)ＵＸ35極化和極化率總結(jié)根據(jù)電介質(zhì)分子參與極化運(yùn)動(dòng)的種類，極化分成三類：電子位移極化e離子位移極化i偶極矩轉(zhuǎn)向極化d電介質(zhì)的總極化為：=e+i+d極化和極化率總結(jié)根據(jù)電介質(zhì)分子參與極化運(yùn)動(dòng)的種類，極化分成三36電介質(zhì)的極化響應(yīng)課件37現(xiàn)象1現(xiàn)象138++

+++-----++

+++-----真空下，平板電容器極板上的電荷為Q0，則：加入電介質(zhì)后，平板電容器極板上的電荷為自由電荷Q0和束縛電荷之Q’和，即：+++++-----+++++-----真空下，平板電容39現(xiàn)象2現(xiàn)象240極化的定義：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場(chǎng)方向感應(yīng)出偶極矩，即在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷的物理現(xiàn)象。極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度定義為電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的向量和，即量綱：庫(kù)/米2C/m2-q+qu極化的定義：在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場(chǎng)方向感應(yīng)出偶極矩41極化強(qiáng)度是電場(chǎng)所引起的一種響應(yīng)。在各向同性線性電介質(zhì)中，e為標(biāo)量，稱為宏觀極化率。在物理意義上，可用相對(duì)介電常數(shù)r或宏觀極化率e來描述物質(zhì)的介電性能。電介質(zhì)極化的宏觀概念極化強(qiáng)度是電場(chǎng)所引起的一種響應(yīng)。在各向同性線性電介質(zhì)中，e42當(dāng)兩電極間為真空時(shí)：當(dāng)電極間加入介電常數(shù)為r的介質(zhì)后，由于電位移只取決于自由電荷Q0，所以：因此：電介質(zhì)因極化使電場(chǎng)比真空時(shí)減少1/r倍，而電容量增大r倍。當(dāng)兩電極間為真空時(shí)：當(dāng)電極間加入介電常數(shù)為r的介質(zhì)后，由于43電介質(zhì)極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場(chǎng)作用下，雖然正電荷沿電場(chǎng)方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆電場(chǎng)方向移動(dòng)，但它們并不能離開介質(zhì)形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對(duì)位移——出現(xiàn)偶極矩，這個(gè)現(xiàn)象叫做極化。非極性介質(zhì)離子型介質(zhì)極性介質(zhì)電介質(zhì)極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場(chǎng)作用下，雖然正電44宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因?yàn)椋喝缭O(shè)N為單位體積內(nèi)的偶極矩?cái)?shù)，且把每個(gè)偶極矩看成相等，則：宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因?yàn)椋喝缭O(shè)N為單位45對(duì)來說，不僅與宏觀電場(chǎng)有關(guān)，同時(shí)還受到電介質(zhì)內(nèi)其他粒子感應(yīng)偶極矩產(chǎn)生電場(chǎng)的影響。有效電場(chǎng)：實(shí)際上引起電介質(zhì)中粒子產(chǎn)生感應(yīng)電極矩的電場(chǎng)，稱為有效電場(chǎng)。定義：微觀極化率，與電介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)對(duì)來說，不僅與宏觀電場(chǎng)有關(guān)，同時(shí)還受到電介質(zhì)內(nèi)其他46由此：——微觀極化——宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程由此：——微觀極化——宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程47分子的極化及極化率：根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；偶極矩轉(zhuǎn)向極化。分子的極化及極化率：48電子位移極化定義：在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，其極化率稱為電子位移極化率。E電荷中心重合電荷中心不重合電子位移極化定義：在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)49極化建立和消除的時(shí)間極短。電子極化又稱光頻極化，振動(dòng)頻率在光頻范圍。電子位移極化的特點(diǎn)：在外電場(chǎng)作用下，電子云相對(duì)原子核的位移是彈性聯(lián)系（沒有介質(zhì)損耗）。引起介電常數(shù)增加。極化建立和消除的時(shí)間極短。電子極化又電子位移極化的特點(diǎn)：50電子極化率求解的簡(jiǎn)化模型-QQdRE1.原子電子云模型

一個(gè)原子可以看作是一個(gè)電荷為+Q的正電核和周圍均勻分布、半徑為R、介電常數(shù)為0的球狀電子云組成。電子極化率求解的簡(jiǎn)化模型-QQdRE1.原子電子云模型51當(dāng)E不為0時(shí)，以電子云中心為參考點(diǎn)，原子核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)d，使核移動(dòng)的電場(chǎng)力為：原子核移動(dòng)后受到電子云的庫(kù)倫力為：有效電子云的電量！當(dāng)E不為0時(shí)，以電子云中心為參考點(diǎn)，原子核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)d，52原子核受到的電場(chǎng)力和電子云的庫(kù)倫力平衡：即：因此，電偶極矩：極化率：原子核受到的電場(chǎng)力和電子云的庫(kù)倫力平衡：即：因此，電偶極矩：53已知?dú)湓影霃絉=0.78A1.證明氫原子的電子位移極化率αe=4πε0R3,ε0=8.85*10-12F/m。2.

若氫原子處于E=100V/m的電場(chǎng)中，求氫原子的感應(yīng)電矩μ。RdQSEFf解：如圖所示，在電場(chǎng)E的作用下，原子核相對(duì)電子云中心位移距離為d，已知?dú)湓影霃絉=0.78ARdQSEFf解：如圖所示，在電54則：F=fF=QEf=QES即：所以：則：F=fF=QEf=QES即：所以：552.圓周軌道模型用玻爾原子模型來考慮被研究原子。即，一個(gè)電電荷-Q沿著環(huán)繞電荷為+Q的原子核作軌道運(yùn)行。o2.圓周軌道模型o56oAMdFE=QEFEFRRF外加電場(chǎng)后，電場(chǎng)力FE和庫(kù)侖力FR的平衡關(guān)系：由于：所以：極化率oAMdFE=QEFEFRRF外加電場(chǎng)后，電場(chǎng)力FE和庫(kù)侖力57同族元素：e由上到下增大(外層電子數(shù)增加，原子半徑增大)同周期元素：不定(外層電子數(shù)增加，但軌道半徑可能減小)

離子的電子位移極化率的變化規(guī)律與原子大致相同。

離子半徑大，極化率大；

實(shí)測(cè)電子位移極化率與理論結(jié)果仍有差別，但研究發(fā)現(xiàn)，e/40R3值大，對(duì)極化貢獻(xiàn)大，如：Pb2+;

電子位移極化率與溫度無關(guān)，因?yàn)?，R與T無關(guān)；

極化率為快極化：10-14–10-16s，極化無損耗。電子位移極化的結(jié)論同族元素：e由上到下增大(外層電子數(shù)增加，原子半徑增大)58原子或離子實(shí)測(cè)電子極化率e10-40F?m2原子半徑a10-10me/40a3B0.0220.261.14Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89Hg2.211.121.41C0.0130.201.50O3.0691.321.20S6.551.741.12Zr0.890.871.21Cu2.011.001.81原子或離子實(shí)測(cè)電子極化率e10-40F?m2原子半徑e59水分子的偶極矩：O2-H+H+104oH+R水分子的偶極矩：O2-H+H+104oH+R60O2-H+H+2H+REE2E1O2-H+H+2H+REE2E161水分子的偶極矩等于：6.110-30庫(kù)米，為強(qiáng)極性分子。同樣分子結(jié)構(gòu)的CO2則為非極性分子（因它的鍵角為180o）。水分子的偶極矩等于：6.110-30庫(kù)米，為強(qiáng)極性分子。62離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionicpolarization)。極化率用i表示。離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移63-q+qE-q+q無外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子沒有相對(duì)位移，對(duì)晶體的總偶極矩沒有貢獻(xiàn)。有外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移，對(duì)晶體的總偶極矩有較大貢獻(xiàn)。當(dāng)相對(duì)位移不是很大時(shí)，可以將正、互離子之間的回復(fù)力看成準(zhǔn)彈性力。設(shè)彈性系數(shù)為K，平衡時(shí)FE=Fr，即qE=Kr。FE=KrFr=qE-q+qE-q+q無外加電場(chǎng)：正、負(fù)離子沒有相對(duì)位移，對(duì)晶體64正、負(fù)離子位移形成的偶極矩為：于是：？？？正、負(fù)離子位移形成的偶極矩為：于是：？？？65設(shè)正、負(fù)離子的質(zhì)量分別為m1和m2，其固有諧振角頻率和固有諧振頻率滿足：根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解Ｋ值其中，m為離子對(duì)的折合質(zhì)量：設(shè)正、負(fù)離子的質(zhì)量分別