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電介質

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電介質是能夠被電極化的絕緣體。 電介質的帶電粒子是被原子、 分子的內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, 這些電荷也只能在微觀範圍內移動, 產生極化。 在靜電場中, 電介質內部可以存在電場, 這是電介質與導體的基本區別。
中文名
電介質
外文名
Dielectric
分    類
固體、液體、其他
所屬學科
物理

電介質範疇

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電介質包括氣態、液態和固態等範圍廣泛的物質,也包括真空。固態電介質包括晶態電介質和非晶態電介質兩大類,後者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等,是良好的絕緣材料。凡在外電場作用下產生宏觀上不等於零的電偶極矩,因而形成宏觀束縛電荷的現象稱為電極化,能產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並不很高,不能稱為絕緣體,但由於能發生極化過程,也歸入電介質。

電介質變化

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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產生如下3種類型的變化:
原子核外的電子雲分佈 產生畸變,從而產生不等於零的電偶極矩,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於零,在外電場作用下,各個電偶極子趨向於一致的排列,從而宏觀電偶極矩不等於零,稱為轉向極化
應用於顯示的液晶,在靜電效應的應用和防護方面的材料,可用於隱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。

電介質特殊效應

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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內容 [1]  。這些特殊效應包括:
①壓電效應。一些晶體因受外力而產生形變時,會發生極化現象,在相對兩面上形成異號束縛電荷,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)、磷酸二氫銨(ADP)、鈦酸鋇,以及砷化鎵、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,常用來製造晶體振盪器,其突出優點是振盪頻率的高度穩定性,無線電技術中可用來穩定高頻振盪的頻率,這種振盪器已廣泛用於石英鐘。壓電晶體還普遍用於話筒、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] 
②電致伸縮。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,稱電致伸縮。利用電致伸縮效應可將電振動轉變為機械振動,常用於產生超聲波的換能器,以及耳機和高音喇叭等 [2] 
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態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。駐極體能產生30千伏/釐米的強電場。駐極體能存儲電荷的性能已被用於靜電攝影術和吸附氣體中微小顆粒的氣體過濾器 [2] 
④熱電效應。具有自發極化造成的宏觀電偶極矩,並具有較大熱脹係數的晶體稱為熱電晶體。處於自發極化狀態的熱電晶體,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,但由於吸附了空氣中的異號離子而不表現出帶電性質。當温度改變時,熱電晶體的體積發生顯著變化,從而導致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將被釋放出來,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。熱電效應已用於紅外線探測和熱成像技術 [2] 
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。在絕熱條件下藉助於外電場改變電熱體的永久極化強度時,它的温度會發生變化,此稱為電熱效應。絕熱去極化可降低温度,與絕熱去磁法(見磁熱效應)一樣可用來獲得超低温。常用的電熱材料有鈦酸鍶陶瓷和聚偏氟乙烯(PVF)等駐極 [2]  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 [2] 
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。同一鐵電疇內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於一致,極化強度P與電場強度E有非線性關係。在峯值固定的交變電場反覆作用下,P與E的關係曲線類似於磁滯回線(見鐵磁性),稱為電滯回線。以上性質稱為鐵電性,具有鐵電性的電介質稱鐵電體。當温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稱為鐵電居里温度。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 [2] 
⑧鐵彈性。一些晶體在其內部能形成自發應變的小區域,稱為鐵彈疇,同一鐵彈疇內的自發應變方向(疇態)相同,任兩個鐵彈疇的疇態相同或呈鏡面對稱。外加應力可使鐵彈疇從一個疇態過渡到另一疇態。外應力改變時,應變滯後於應力變化,且應力與應變是非線性關係。在週期性外應力作用下,應變與應力的關係曲線類似於磁滯回線,稱為力滯回線。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、熱脹係數、導熱係數、彈性模量和電致伸縮率等因方向而異,且這種方向性會隨應力而變,利用這些特點在製造力敏器件上有着廣泛的應用前景 [1-2] 

電介質分類

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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別可用等量異號電荷代替,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集中於一點,稱為正電荷的“重心”,負電荷-q集中於一點,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 [3] 

電介質電結構

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(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、負電荷僅產生微觀相對運動;
(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→產生極化電荷→產生附加電場→作用於電介質→達到靜電平衡 [3-4] 

電介質區別

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電工中一般認為電阻率超過 10歐/釐米的物質便歸於電介質。電介質的帶電粒子是被原子、分子的內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,這些電荷也只能在微觀範圍內移動,產生極化。在靜電場中,電介質內部可以存在電場,這是電介質與導體的基本區別。

電介質常用

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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。

電介質電偶極子

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電介質處於外加電場中時,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號相反而量值相等的電荷。例如將氫原子放在一個由某外電源提供的電場中,若外電場為零,常態下電荷分佈是球對稱的,正負電荷的平均位置重合,不形成電偶極子。若有外電場時,電場將負電荷向下拉,將正電荷向上推,正電荷與負電荷的平均位置不再重合,將形成電偶極子(見圖)。電偶極子在它的周圍要產生電場。其特徵可用它的電偶極矩p表示,p=qd。這裏q是每個電荷的電量絕對值);d 的量值等於兩電荷間距離,其方向規定由負電荷指向正電荷。

電介質極化

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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(常態下介質內分子的正負電荷的平均位置重合),另一類是極性電介質(常態下介質內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;極性電介質分子由於排列雜亂無章,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,都將出現極化現象。極化的程度,可用電極化強度P表示。P為每單位體積內的電偶極矩,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,對於各向同性電介質為一標量,對於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,在小體積內分子互相平行排列,形成有宏觀偶極矩電疇。這種無外電場電疇內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,由於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並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的分佈,但不會發出D的通量。在有些情況下使用該式更加方便,因為該式等號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)。

電介質應用

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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。隨着科學技術的發展,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產生極化,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,當温度變化能引起極化,即具有熱釋電性;當自發極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變,它的極化強度與外施電場的關係曲線鐵磁材料磁化強度磁場的關係曲線極為相似,即具有電滯曲線(鐵電性)。具有壓電性熱釋電性鐵電性的材料分別稱為壓電材料、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。
參考資料