电介质极化的微观模型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)远望谷信息技术股份有限公司 作者:武岳山

  电介质在外加电场的情况下产生的束缚电荷现象来源于电介质微观结构上的一些变化。因而, 从微观角度来考察或研究电介质的结构具有重要的意义。从微观角度来考察介质极化的起源, 必然要联系组成电介质的分子、原子结构状况。一般情况下, 可将电介质的极化情况归类为如图2 所示的4 种最基本的极化单元模型。

  在图2 所示的4 种模型中, 所有电荷均遵循着一个共同的基本规律, 即在电介质内部不存在自由电荷( 指可自由移动的电荷) , 所有电荷均以被束缚( 仅能在微小的区域内作有限的姿态调整) 的形式存在。4 种基本模型的情况分述如下:

微观极化模型

图2 微观极化模型

  (1) 图2( a)表示在没有受到电场作用时, 组成电介质的分子或原子, 其中原子核所带正电荷的中心与绕核分布的电子所带负电荷的中心相重合, 对外呈中性。但当介质受到电场作用时, 其中每个分子或原子中的正、负电荷中心产生相对位移, 中性分子或原子变成了偶极子。具有这类极化机制的极化形式称为电子位移极化或电子形变极化。/ 形变极化0一词用来说明在电场作用下, 电子云发生形变而导致正、负电荷中心分离的物理过程。

  (2) 图2( b) 表示由不同的原子( 或离子) 组成的分子,如离子晶体中由正离子与负离子组成的结构单元, 在无电场作用时, 离子处于正常结点位置并对外保持电中性。但在电场作用下, 正、负离子产生相对位移( 正离子沿电场方向移动, 负离子逆电场方向移动) , 破坏了原先呈中性分布的状态。电荷重新分布, 实际上就相当于从中性/ 分子0(实际上是正、负离子对) 变成了偶极子。具有这类机制的极化形式即称为离子位移极化或简称为离子式极化。

  (3) 图2( c) 表示极性电介质的组成质点是具有偶极矩的极性分子, 但在没有电场作用的条件下, 极性分子混乱排布, 固有偶极矩矢量沿各方向的分布机率相等。所有分子固有偶极矩的矢量和为零, 整个介质仍保持电中性。但在电场作用下, 每个极性分子在电场中都受到转动力矩的作用而产生旋转, 并且有沿电场方向排布的趋向, 其结果就是电介质极化。这类极化形式即叫做转向极化, 这是极性介质在电场作用下所发生的一种主要极化形式。

  (4) 图2( d) 表示非均匀介质的情形, 在电场作用下, 原先混乱排布的正、负/ 自由0电荷发生了趋向有规则的运动过程, 导致正极板附近集聚了较多的负电荷。空间电荷的重新分布, 实际形成了介质的极化, 这类极化称为空间电荷极化, 他是非均匀介质或存在缺陷的晶体介质所表现出的主要极化形式之一。对于实际的晶体介质, 其内部/ 自由0电荷在电场作用下移动, 可能被晶体中不可能避免地存在着的缺陷( 如晶格缺位、杂质中心、位错等) 所捕获、堆积造成电荷的局部积聚, 使电荷分布不均匀, 从而引起极化。

  4 种模型的极化效果均可归结到用电偶极子( 正负电荷中心移位, 并形成束缚关系, 构成电偶极子。电偶极子中正电荷的电量与正负电荷的中心位移量的乘积形成电偶极子的偶极矩) 模型来等效。因而, 由极化所产生的电偶极子是定量分析介质极化的基础。

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