介质的电极化

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1、第一章绪论1.1介质的电极化电介质的特征是以正，负电荷中心不重合的电极化方式传播，存贮或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是束缚电荷。电介质物理学主要是研究介质内部束缚电荷在电场（包括光频电场），应力，温度等作用下的电极化和运动过程，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，同时也研究电介质性质的测量方法，以及各种电介质的性能，进而发展电介质的效用。电介质可以是气态，液态或固态，分布极广。本书主要讨论固态电介质，虽然电介质并非一定是绝缘体，但绝缘体都是典型的电介质。绝缘体的电击穿过程及其原理关系到束缚电荷在强场作用下的极化限度，这也属于电

2、介质物理的研究范围。实际上，金属也具有介电性质。当电场频率低于紫外光频率时，金属的介电性来源于电子气在运动过程中感生出的虚空穴（正电荷），从而导致动态的电屏蔽效应；此时基本上不涉及束缚电荷，故不列入电介质物理的研究范畴。因为电极化过程与物质结构密切相关，电解质物理学的发展总是与物质结构的研究相呼应。20世纪20年代，当关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也随着发展起来了，电极化的3个基本过程式：（1）原子核外电子云的畸变极化；（2）分子中正，负离子的相对位移极化；（3）分子固有电矩的转向极化，在外界电场作用下，介质的相对介电常数是综合地反

3、映这三种微观过程的宏观物理量，它是频率的函数只当频率为零或频率很低（例如1kHz）时，三种微观过程都参与作用；这时的介电常数对于一定的电介质而言是个常数。随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化。这时，介电常数取复数形式(1.1)其中虚部代表介质损耗，实部随频率的增加而下降，同时虚部出现如图1.1所示的峰值，这种变化规律称为弛豫型的。频率再增加，实部降至新恒定值，而虚部则变为零；这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成不再作出响应。当频率进入红外区，分子中正，负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部先突然增加，随即陡然下降；同时又出现峰值。过此以后

4、，正，负离子的位移极化也不起作用了。在可见光区，只有电子云的畸变对极化有贡献，这时实部取更小的值，称为光频介电常数，记作；虚部对应于光吸收。实际上，光频介电常数随频率的增加而略有增加，称为正常色散。在某些光频频率附近，实部先突然增加随即陡然下降，下降部分成为反常色散；与此同时，虚部出现很大峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收，根据光的电磁波理论，介质对光的折射率n的平方等于相对介电常数。在极高的光频电场下，只有电子过程才起作用，故(1.2)共振型吸收曲线的线宽也反映了一定的弛豫过程。弛豫过程决定于微观粒子之间的相互作用。当相互作用很强时，色散曲线和吸收曲线过渡到极端的弛

5、豫型。在频率更高时（如高于），介质对这种激励没有反应，取真空电容率。除上述的三种主要极化结构外，在更低的频率范围还有（1）空间电荷极化：由外场注入或缺陷的作用等原因形成宏观极化或局域极化，由于它们难于运动，只有在频率很低时才对外场有响应。（2）带有电矩的基团的极化：如某些缺陷所形成的偶极矩连同周围受其感应的部分所形成的微小区域，以及铁电体中的畴壁等，因其质量大而运动缓慢。（3）界面极化：在非均匀介质系统中，当两种介质的介电常数和电导率不同时，在两种介质的界面上将有电荷积累，从而产生相应的极化。界面极化对电场的响应等价于双层电介质模型，其行为类似于德拜弛豫。研究介电极

6、化和弛豫始终是波谱学和光谱学的重要内容，这种研究促进了分子物理学和固态物理学的发展。在今后发展非晶态物理乃至液态物理的进程中，研究电极化和弛豫仍然是最基本的课题；这时所面临的机制将更加复杂而深刻，所需要的手段也将更加精细有效。由于所涉及的是电荷的分布，起伏和带电粒子间的相互作用，故在电介质物理的研究中，一方面要很好的实验手段，另一方面要求优良的理论武器。电动力学，量子力学，热力学和统计物理学等始终是研究和探讨本学科的必不可少的理论基础和手段，而且随着科学技术的向前发展，这些理论基础和方法将会更加完善。在电介质物理学的发展过程中，有效场或内（电）场问题始终是个繁难的理

7、论问题，并曾引起很多学者的研究和讨论，但一直没有得到圆满的解决，问题是这样提出来的：在外电场的作用下电介质发生电极化，整个介质出现宏观电场。但作用在每个分子或原子上使之极化的有效场（内场）显然不包括该分子或原子自身极化所产生的电场，因而有效场不等于宏观场。通常在考虑有效场时必须把所讨论的分子或原子的贡献排除在外，对于所讨论的分子或原子来说，近郊的与远离的其他粒子所发生的作用并不相同：远离的只有长程作用，近郊的还有短程作用。Lorentz在讨论这个问题时，设想以所考虑的分子或原子为中心，作一半径足够大的球。球外可作为连续介质处理，对球内则必须具体考虑其结构。当介质