33电介质的极化

新疆师范大学物理与电子工程学院电磁学教案任课教师：帕尔哈提江·吐尔孙13.3电介质的极化3.3.1位移极化和取向极化电介质的极化：在外电场作用下，电介质表面出现电荷的现象，这些电荷称为极化电荷。1、电介质的分类（1）无极分子：每个分子的正、负电荷“重心”在没有外场作用时重合，因此分子偶极矩为零。H2、O2、N2、CO2、CH4、CCl4分子等都属于无极分子。（2）有极分子：每个分子的正、负电荷“重心”在没有外场作用时不重合，因此分子偶极矩非零。H2O，SO2，NH3、H2S及水、硝基苯、酯类、有机酸等分子都属于有极分子。因为分子不断作无规则的热运动，所以各个分子的偶极矩杂乱无章的分布，因此在宏观上不显电性。2、无极分子的位移极化在外电场的作用下，介质中的无极分子的正、负电荷“重心”作了一个微小的位移，形成一个等效电偶极子（具有分子电矩），它们都沿着外电场的方向整齐地排列。在均匀电介质内部空间没有极化电荷，在垂直于外场方向的电介质表面上，分别出现正、负极化电荷，这些面极化电荷，产生宏观电场，显示电性。如下图：E-+E-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+--+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+无极分子正负电荷中心重合在外场中重心分离形成等效的偶极子大块电介质在垂直于电场方向的表面上出现极化电荷由于无极分子的极化在于正、负电荷重心的相对位移，故称为位移极化。介质两表面上出现的极化电荷不能离开电介质，也不能在电介质中自由移动，故也称为束缚电荷。新疆师范大学物理与电子工程学院电磁学教案任课教师：帕尔哈提江·吐尔孙23、有极分子的取向极化对有极分子的电介质，在无外场时，每个分子的正、负电荷重心不重合，且有固有电矩非零，但分子作无规则运动，宏观不显电性。当外场E≠0时，每个分子的等效偶极子将由于力偶矩的作用而转向，力偶矩力图使每个偶极子的偶极矩转到与场强一致的方向。显然，E愈大，p转向外场方向的程度愈大。这种p转向E方向的现象称为取向极化。如下图：E-+E-+--+-+-+-+-+-+-+-+-+-+--+-+-+-+-++--+-+-+-+-+-+--+-+-+-+无外场时正负电荷中心不重合在外场中取向大块电介质在垂直于电场方向的表面上出现极化电荷+++在均匀电介质内部空间没有极化电荷，在垂直于外场方向的电介质表面上，分别出现正、负极化电荷。注意：（1）有极分子在外场作用下，除了发生取向极化外，还要发生位移极化，只是后者比前者弱得多；（2）两类电介质极化的微观机理不同，但宏观效果却是相同的，都是在外电场作用下，均匀电介质表面上出现极化电荷，激发宏观电场，显示电性。我们主要从宏观上研究电介质的极化以及极化后电介质对电场的影响，今后不再区分位移极化和取向极化。3.3.2极化强度在电介质中取一个物理无限小体积∆V，其中有m个中性分子（m很大）：新疆师范大学物理与电子工程学院电磁学教案任课教师：帕尔哈提江·吐尔孙300000000VVVVV零非零极化前：每个分子，内所有分子偶极矩的矢量和无极分子极化后：每个分子，所有分子与外场一致，矢量和极化前：每个分子，但杂乱无零非零章有极分子极化后：每个分子，ppppppppp这说明不论哪一类电介质，极化总意味着∆V内分子的偶极矩的矢量和∑p从零变为非零，且极化程度愈大时，∑p越大。据此特点定义一个描述极化强弱的物理量叫做极化强度矢量P。1、定义电介质中某物理无限小体积中所有分子偶极矩矢量和与该体积之比叫做该点（宏观点）的极化强度，记作P。数学表示为：1miiVpP式中pi表示内第i个分子的偶极矩，求和从1到m表示遍及∆V内的所有分子。2、讨论（1）无外场时（极化前）P=0；（2）P为宏观的矢量点函数。在定义中取了一个物理无限小体积，物理无限小体积实际上就是一个宏观点；（3）均匀极化：电介质内各点的P相同。例如真空介质，它是一种特殊的电介质，因为真空中∆V内无分子（无p），所以P=0；（4）单位：库/米2。3.3.3极化强度与电场强度的关系由于外场的作用，电介质产生极化现象，因此很显然，极化强度应与电场强度E有关。1、P与E的关系实验表明，在各向同性电介质中，每一点的极化强度与该点的场强E方向相同且大小成正比，表示为P=αE。新疆师范大学物理与电子工程学院电磁学教案任课教师：帕尔哈提江·吐尔孙4因P与E同向，故α是正值，由电介质的性质决定，在国际单位制中：α=ε0χ，而ε0是一个常数，所以χ与α一样由电介质的性质决定，称为电介质的极化率。0PE2、讨论（1）式中E并非外电场，而是极化后介质中对应点的总场强E=E0+E’（极化电荷产生的电场参与后面的极化过程）。（2）χ称为电介质的极化率，是反映电介质中每一点的性质的物理量。若介质中各点χ值相同，则称为均匀电介质。（3）电介质分为：电介质由于其内在结构不同可分为“各向同性”和“各向异性”介质两种，本书主要讨论各向同性介质。（4）“各向同性”的含义介质中同一点，P与E的关系与方向无关。对电介质中同一点，不管场强方向如何（竖直还是水平），同一大小的场强总在自己方向上引起同样大小的极化强度。P无其它方向的分量，或者说P只有E方向的分量。（5）对“各向异性”介质，P与E方向不同，其有关讨论见书上小字部分。【P94】这时不是常数，而χ是张量。