電介質

電介質

電阻率超過10歐·厘米的物質
電工中一般認為電阻率超過10歐·厘米的物質便歸于電介質。電介質的帶電粒子是被原子、分子的内力或分子間的力緊密束縛着,因此這些粒子的電荷為束縛電荷。在外電場作用下,這些電荷也隻能在微觀範圍内移動,産生極化。在靜電場中,電介質内部可以存在電場,這是電介質與導體的基本區别。不導電的物質,如空氣、玻璃、雲母片、膠木等。[1]
    中文名:電介質 外文名:Dielectric 别名: 韓文名:유전체 日文名:誘電 俄文名:диэлектрик 拼音:dianjiezhi

範疇

電介質包括氣态、液态和固态等範圍廣泛的物質,也包括真空。固态電介質包括晶态電介質和非晶态電介質兩大類,後者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等,是良好的絕緣材料。凡在外電場作用下産生宏觀上不等于零的電偶極矩,因而形成宏觀束縛電荷的現象稱為電極化,能産生電極化現象的物質統稱為電介質。電介質的電阻率一般都很高,被稱為絕緣體。有些電介質的電阻率并不很高,不能稱為絕緣體,但由于能發生極化過程,也歸入電介質。

變化

通常情形下電介質中的正、負電荷互相抵消,宏觀上不表現出電性,但在外電場作用下可産生如下3種類型的變化:

①原子核外的電子雲分布産生畸變,從而産生不等于零的電偶極矩,稱為畸變極化;

②原來正、負電中心重合的分子,在外電場作用下正、負電中心彼此分離,稱為位移極化;

③具有固有電偶極矩的分子原來的取向是混亂的,宏觀上電偶極矩總和等于零,在外電場作用下,各個電偶極子趨向于一緻的排列,從而宏觀電偶極矩不等于零,稱為轉向極化。

應用于顯示的液晶,在靜電效應的應用和防護方面的材料,可用于隐形技術方面的微波電介質材料,以及作為結構材料應用的電介質。

特殊效應

對電介質特殊效應的理論和應用構成了電介質物理學另一方面的研究内容。這些特殊效應包括:

①壓電效應。一些晶體因受外力而産生形變時,會發生極化現象,在相對兩面上形成異号束縛電荷,稱為壓電效應。壓電晶體種類很多,常見的有石英、酒石酸鉀鈉(羅謝耳鹽)、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫铵(ADP)、钛酸鋇,以及砷化镓、硫化鋅等半導體和壓電陶瓷等。壓電晶體的機械振動可轉化為電振動,常用來制造晶體振蕩器,其突出優點是振蕩頻率的高度穩定性,無線電技術中可用來穩定高頻振蕩的頻率,這種振蕩器已廣泛用于石英鐘。壓電晶體還普遍用于話筒、電唱頭等電聲器件中。利用壓電現象可測量各種情形下的壓力、振動和加速度等。

②電緻伸縮。是壓電效應的逆效應。一些晶體在電場作用下會發生伸長或縮短形變,稱電緻伸縮。利用電緻伸縮效應可将電振動轉變為機械振動,常用于産生超聲波的換能器,以及耳機和高音喇叭等。

③駐極體。除去外電場或外加機械作用後,仍能長時間保持極化狀态的電介質稱為駐極體。駐極體同時具有壓電效應和熱電效應。技術上大多采用極性高分子聚合物作為駐極體材料。駐極體能産生30千伏/厘米的強電場。駐極體能存儲電荷的性能已被用于靜電攝影術和吸附氣體中微小顆粒的氣體過濾器。

④熱電效應。具有自發極化造成的宏觀電偶極矩,并具有較大熱脹系數的晶體稱為熱電晶體。處于自發極化狀态的熱電晶體,在電偶極矩正、負兩端表面上本來存在着由極化形成的束縛電荷,但由于吸附了空氣中的異号離子而不表現出帶電性質。當溫度改變時,熱電晶體的體積發生顯著變化,從而導緻極化強度的明顯改變,破壞了表面的電中性,表面所吸附的多餘電荷将被釋放出來,此現象稱為熱電效應。經人工極化的鐵電體和駐極體都具有熱電效應。熱電效應已用于紅外線探測和熱成像技術。

⑤電熱效應。熱電效應的逆效應,具有電熱效應的電介質(多為駐極體)稱為電熱體。在絕熱條件下借助于外電場改變電熱體的永久極化強度時,它的溫度會發生變化,此稱為電熱效應。絕熱去極化可降低溫度,與絕熱去磁法(見磁熱效應)一樣可用來獲得超低溫。常用的電熱材料有钛酸锶陶瓷和聚偏氟乙烯(PVF)等駐極體。

⑥電光效應。某些各向同性的透明電介質在電場作用下變成光學各向異性的效應。

⑦鐵電性。在一些電介質晶體中存在許多自發極化的小區域,每個自發極化的小區域稱為鐵電疇,其線度為微米數量級。同一鐵電疇内各個電偶極矩取向相同,不同鐵電疇的自發極化方向一般不同,因而宏觀上總的電偶極矩為零。在外電場作用下各鐵電疇的極化方向趨于一緻,極化強度P與電場強度E有非線性關系。在峰值固定的交變電場反複作用下,P與E的關系曲線類似于磁滞回線(見鐵磁性),稱為電滞回線。以上性質稱為鐵電性,具有鐵電性的電介質稱鐵電體。當溫度升高到某一臨界值Tc時,鐵電疇互解,鐵電性消失,鐵電體轉變為普通順電性電介質,Tc稱為鐵電居裡溫度。鐵電體具有很高的電容率。鐵電體必定同時具有壓電性和熱電性。

⑧鐵彈性。一些晶體在其内部能形成自發應變的小區域,稱為鐵彈疇,同一鐵彈疇内的自發應變方向(疇态)相同,任兩個鐵彈疇的疇态相同或呈鏡面對稱。外加應力可使鐵彈疇從一個疇态過渡到另一疇态。外應力改變時,應變滞後于應力變化,且應力與應變是非線性關系。在周期性外應力作用下,應變與應力的關系曲線類似于磁滞回線,稱為力滞回線。以上性質稱為鐵彈性,具有鐵彈性的電介質稱為鐵彈體。鐵彈體的電容率、折射率、電導率、熱脹系數、導熱系數、彈性模量和電緻伸縮率等因方向而異,且這種方向性會随應力而變,利用這些特點在制造力敏器件上有着廣泛的應用前景。

分類

1、分子的等效正電中心和等效負電中心:

電介質均由分子和原子組成,每個分子中所有正電荷對外界作用的電效果可以等效為集中在某一點的等效點電荷的作用效果,這個等效點電荷的位置稱為分子的正點中心;同理,每個分子中所有負電荷對外界作用的電效果可以等效為集中在某一點的等效點電荷的作用效果,這個等效點電荷的位置稱為分子的負點中心。

2、有極分子電介質:

電介質中各分子的等效正電中心與等效負電中心不重合的電介質;正點中心和負電中心分别可用等量異号電荷代替,二者有一相對位移,這樣每個分子對外界的電性效果可以等效為一個電偶極子的作用。

3、無極分子電介質:

電介質中各分子的等效正點中心與等效負電中心重合的電介質。

可以認為每一個分子的正電荷q集中于一點,稱為正電荷的"重心",負電荷-q集中于一點,稱為正負電荷的"重心";定義從負電荷的重心到正電荷的重心的矢徑為,則分子可以構成的電偶極子。

電結構

(1)電子被原子核緊緊束縛;

(2)在靜電場中電介質中性分子中的正、負電荷僅産生微觀相對運動;

(3)在靜電場與電介質相互作用時,電介質分子簡化為電偶極子。電介質由大量微小的電偶極子組成;

(4)電介質在外電場中→極化→産生極化電荷→産生附加電場→作用于電介質→達到靜電平衡。

區别

電工中一般認為電阻率超過10歐/厘米的物質便歸于電介質。電介質的帶電粒子是被原子、分子的内力或分子間的力緊密束縛着,因此這些粒子的電荷為束縛電荷。在外電場作用下,這些電荷也隻能在微觀範圍内移動,産生極化。在靜電場中,電介質内部可以存在電場,這是電介質與導體的基本區别。

常用

電工中常用電介質有:

氣體電介質有空氣、氫氣、六氟化硫(SF6),液體電介質有變壓器油、石油、純水,固體電介質有雲母、瓷、橡膠、紙、聚苯乙烯。

電偶極子

電介質處于外加電場中時,會出現電偶極子。電偶極子是指相距很近但有一距離的兩個符号相反而量值相等的電荷。例如将氫原子放在一個由某外電源提供的電場中,若外電場為零,常态下電荷分布是球對稱的,正負電荷的平均位置重合,不形成電偶極子。若有外電場時,電場将負電荷向下拉,将正電荷向上推,正電荷與負電荷的平均位置不再重合,将形成電偶極子(見圖)。電偶極子在它的周圍要産生電場。其特征可用它的電偶極矩p表示,p=qd。這裡q是每個電荷的電量(絕對值);d的量值等于兩電荷間距離,其方向規定由負電荷指向正電荷。

極化

電介質中電偶極矩的矢量和不為零的現象。電介質可分為兩類:一類是非極性電介質(常态下介質内分子的正負電荷的平均位置重合),另一類是極性電介質(常态下介質内分子的正負電荷的平均位置不重合)。在無外電場作用時,非極性電介質分子的等效電偶極矩為零;極性電介質分子由于排列雜亂無章,其等效電偶極矩的矢量和亦為零。在有外電場作用時,非極性電介質分子的正負電荷平均位置相對位移,極性電介質分子的電偶極矩發生轉向。這樣,都将出現極化現象。極化的程度,可用電極化強度P表示。P為每單位體積内的電偶極矩,即它是矢量,其單位在國際單位制中是庫侖/米2。根據實驗,許多電介質的電極化強度P與電場強度E成正比,即式中ε0為真空介電常數;χ為電極化率,對于各向同性電介質為一标量,對于各向異性電介質為一張量。

某些電介質中偶極分子間作用很強,無外電場時,在小體積内分子互相平行排列,形成有宏觀偶極矩的電疇。這種無外電場時電疇内部分子已出現極化的現象稱為自發極化。熱釋電材料、鐵電材料均有自發極化。當然,這類有電疇結構的電介質,由于電疇之間的排列無序,故無外電場時,整體上也不顯示出極化。電位移電場強度乘以真空介電常數并與電極化強度相加之合成矢量,即為電位移D或表示為電介質的本構方程D=εE式中ε為電介質的介電常數。根據高斯通量定理這表明電位移D的通量是由自由電荷qf發出的。束縛電荷雖然可能影響D的分布,但不會發出D的通量。在有些情況下使用該式更加方便,因為該式等号右端項中不包含束縛電荷。在時變電磁場中,電位移的時間變化率就是位移電流密度。電位移的單位在國際單位制中為庫侖/米2(C/m2)。

應用

在電工技術中,電介質主要用作為電氣絕緣材料,故電介質亦稱為電絕緣材料。随着科學技術的發展,發現一些電介質具有與極化過程有關的特殊性能。如不具有對稱中心的晶體電介質,在機械力的作用下能産生極化,即壓電性;不具有對稱中心,而具有與其他方向不同的唯一的極軸晶體存在自發極化,當溫度變化能引起極化,即具有熱釋電性;當自發極化偶極矩能随外施電場的方向而改變,它的極化強度與外施電場的關系曲線與鐵磁材料的磁化強度與磁場的關系曲線極為相似,即具有電滞曲線(鐵電性)。具有壓電性、熱釋電性、鐵電性的材料分别稱為壓電材料、熱釋電材料、鐵電材料。這些具有特殊性能的材料統稱為功能材料。它是電介質的一個重要組成部分。可用作機械、熱、聲、光、電之間的轉換,在國防、探測、通信等領域具有極為重要的用途。

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