1、電介質(zhì)的極化響應第1頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四現(xiàn)象1第2頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四+ +-+ +-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：第3頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四現(xiàn)象2第4頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四極化的定義：在電場的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部沿電場方向感應出偶極矩，即在電介質(zhì)表面出現(xiàn)束縛電荷的物理現(xiàn)象。極化強度：極化強度定義為電介質(zhì)單位體積內(nèi)電偶極矩的向量和，即量綱：庫/米2 C/m2-q+qu

2、第5頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四極化強度是電場所引起的一種響應。在各向同性線性電介質(zhì)中，e為標量，稱為宏觀極化率。在物理意義上，可用相對介電常數(shù)r或宏觀極化率e來描述物質(zhì)的介電性能。 電介質(zhì)極化的宏觀概念第6頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四當兩電極間為真空時：當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)因極化使電場比真空時減少1/r倍，而電容量增大r倍。第7頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 電介質(zhì)極化的微觀概念極化的微觀概念：在電場作用下，雖然正電荷沿電場方向移動，負電荷逆

3、電場方向移動，但它們并不能離開介質(zhì)形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移出現(xiàn)偶極矩，這個現(xiàn)象叫做極化。非極性介質(zhì)離子型介質(zhì)極性介質(zhì)第8頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因為：如設N為單位體積內(nèi)的偶極矩數(shù)，且把每個偶極矩看成相等，則：第9頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四對 來說，不僅與宏觀電場有關(guān)，同時還受到電介質(zhì)內(nèi)其他粒子感應偶極矩產(chǎn)生電場的影響。有效電場：實際上引起電介質(zhì)中粒子產(chǎn)生感應電極矩的電場，稱為有效電場。定義：微觀極化率，與電介質(zhì)性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)第10頁，共38頁，2022年，5月20日，17點3

4、3分，星期四由此：微觀極化宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程第11頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四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。第12頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 電子位移極化定義：在外電場作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對于原子核發(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第13頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 極化建立和消除的時間極短。電子極化又 稱光頻極化，振動頻率在光頻范圍。電子位移極化的特點

5、： 在外電場作用下，電子云相對原子核的位 移是彈性聯(lián)系（沒有介質(zhì)損耗）。 引起介電常數(shù)增加。第14頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四電子極化率求解的簡化模型-QQdRE1. 原子電子云模型 一個原子可以看作是一個電荷為+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。第15頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四當E不為0時，以電子云中心為參考點，原子核沿電場方向移動d，使核移動的電場力為：原子核移動后受到電子云的庫倫力為：有效電子云的電量！第16頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四原子核受到的電場力和電子云的庫

6、倫力平衡：即：因此，電偶極矩：極化率：第17頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四已知氫原子半徑R=0.78A1.證明氫原子的電子位移極化率e=40R3, 0=8.85*10-12 F/m。2.若氫原子處于E=100 V/m 的電場中，求氫原子的感應電矩。RdQSEFf解：如圖所示，在電場E的作用下，原子核相對電子云中心位移距離為d，第18頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四則：F=fF=QEf=QES即：所以：第19頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四2.圓周軌道模型用玻爾原子模型來考慮被研究原子。即，一個電電荷-Q沿著環(huán)繞電荷

7、為+Q的原子核作軌道運行。o第20頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四oAMdFE=QEFEFRRF外加電場后，電場力FE和庫侖力FR的平衡關(guān)系：由于：所以：極化率第21頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 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； 實測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，對極化貢獻大，如：Pb2+; 電子位移極化率與溫度無關(guān)，因為，R與T無關(guān)； 極化率為快極化：

8、10-14 10-16s，極化無損耗。電子位移極化的結(jié)論第22頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四原子或離子實測電子極化率e10-40Fm2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第23頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四水分子的偶極矩：O2-H+H+104H+R第24頁，共38頁，2022年，5月20日，17

9、點33分，星期四O2-H+H+2H+REE2E1第25頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四水分子的偶極矩等于：6.110-30庫米，為強極性分子。同樣分子結(jié)構(gòu)的CO2則為非極性分子（因它的鍵角為180）。第26頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負離子發(fā)生相對位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionic polarization)。極化率用i表示。第27頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四-q+qE-q+q無外加電場：正、負離子沒有相對位移，對晶體的總偶極矩沒有貢獻。有外加電場：正

10、、負離子發(fā)生相對位移，對晶體的總偶極矩有較大貢獻。當相對位移不是很大時，可以將正、互離子之間的回復力看成準彈性力。設彈性系數(shù)為K，平衡時FE=Fr，即qE=Kr。FE=KrFr=qE第28頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四正、負離子位移形成的偶極矩為：于是：？第29頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 設正、負離子的質(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、負離子對的固有諧振頻率用實驗方法求解值其中，m為離子對的折合質(zhì)量：第30頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四利用波動力學和物理化學的關(guān)系：則：第31

11、頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四式中可由吸收光譜測得，其它參數(shù)為已知常數(shù)。第32頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四離子位移極化的結(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，均在40（10-10）310-40法米2數(shù)量級； 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間與離子晶格振動周期有相同數(shù)量級，10-1210-13秒。第33頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 偶極子轉(zhuǎn)向極化第34頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四當極性分子受外電場作用時，偶極子就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場方向相同時具有最小位能，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間：10-610-2秒，為慢極化。第35頁，共38頁，2022年，5月20日，17點33分，星期四 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)系體缺陷區(qū)熱離子極化（離子松弛極化）為慢極化，建立時