電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和極化

電介質(zhì)的基本特性是在外電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化。當(dāng)外電場(chǎng)超過某極限值時(shí),電介質(zhì)即被擊穿而失去介電性能。

按照電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可分為兩類。一般的電介質(zhì)，例如氫氣、它的原子(H)，只有一個(gè)電子圍繞著帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)。這個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)速度很大,從宏觀來看,好象是均勻分布在球面上的電荷一樣。這種分布電荷在原子外部所產(chǎn)生的電場(chǎng)，可以看成是集中在球心的點(diǎn)電荷的電場(chǎng)。因此，在正常狀態(tài)下,氫原子的電子的作用中心和帶正電的原子核是重合的。但在外電場(chǎng)作用下，電子和原子核被電場(chǎng)E的力f、f?拉開，偏離原來的位置。這時(shí)，每個(gè)氫原子都可以看作一對(duì)距離極近的一正一負(fù)的電荷所組成,叫做電偶極子。這些電偶極子的方向都沿著外電場(chǎng)的方向,因此,在電介質(zhì)的表面將出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷,這就叫做電介質(zhì)的極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，電介質(zhì)表面出現(xiàn)的束縛電荷也愈多，電極化的程度也就愈高。這種極化是一個(gè)瞬時(shí)過程,當(dāng)外電場(chǎng)撤消后,正、負(fù)電荷的作用中心又將重合而恢復(fù)原狀，它與電介質(zhì)內(nèi)能量損耗無關(guān)。象氫這一類的電介質(zhì),它們的原子或分子的正、負(fù)電荷的作用中心，在無外電場(chǎng)時(shí)是重合的，叫做無極分子。這一類電介質(zhì)除氫原子外還有甲烷、石蠟、聚苯乙烯等。

還有另一類電介質(zhì),如水、有機(jī)玻璃等,它們分子的正、負(fù)電荷的作用中心，即使在外電場(chǎng)不存在時(shí),也是不重合的，每個(gè)分子都相當(dāng)于一個(gè)電偶極子,所以這種分子叫做有極分子。但是,在沒有外電場(chǎng)時(shí),由于熱運(yùn)動(dòng),電偶極子的排列是十分混亂的，整個(gè)電介質(zhì)仍呈中性，對(duì)外不起作用。當(dāng)這種電介質(zhì)放在外電場(chǎng)中時(shí)，電偶極子將轉(zhuǎn)向沿著外電場(chǎng)的方向，電介質(zhì)表面就將出現(xiàn)束縛電荷。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，電偶極子排列就愈整齊，電極化的程度也就愈高。這類電介質(zhì)的極化過程在液態(tài)電介質(zhì)中比在固態(tài)電介質(zhì)中更為顯著,因?yàn)樵谝后w中，分子比較容易轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于非均勻電介質(zhì),電極化的結(jié)果,除出現(xiàn)束縛面電荷外,其內(nèi)部還出現(xiàn)束縛體電荷。

分子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)阻止偶極子的取向作用,因此,這類極化伴隨著能量的耗散。它與前一種極化相比,是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過程,因?yàn)榉肿有D(zhuǎn)需要一定的時(shí)間。