电极化

物理科学现象

电极化( 英语 :electric polarization)是一种物理科学现象,在 电磁学 里,当给 绝缘介质 施加一个 电场 时,由于电介质内部正负电荷的相对位移,会产生电 偶极子 。电极化强度(英语:polarization 密度 ),又称为电极化 矢量 ,定义为电介质内的 电偶极矩 密度,即单位体积的电偶极矩。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。电极化强度的 国际单位制 度量单位是库仑每平方米(coulomb/ 平方米 ),表示为矢量 P。

定义

电极化强度 P 定义为电介质单位体积 V 内的电偶极矩 p 的平均值,可以理解为在材料区域内电偶 极子 的强度和对齐程度。这个定义很容易推广到解析定义,即电极化就是电偶极矩微元 dp 与体积微元 dV 的比值,这反过来便能导出电极化的物体的电偶极矩的一般表达式。这表明 P-场与 磁化强度 M-场是完全类似的。对于由一个外加 电场 引起的 P 值的计算,必须已知 绝缘介质 的 电极化率 X。

束缚电荷

束缚电荷是束缚于电介质内部某 微观 区域的电荷,例如 原子 或分子。电极化会稍微改变物质内部的束缚电荷的位置,形成一种不同的电荷密度,称为“束缚电荷密度”。总电荷密度是“自由电荷密度”与束缚电荷密度的总和。在电介质的表面,束缚电荷以表面电荷的形式存在,其表面密度称为“面束缚电荷密度”。假若电介质内部的电极化强度是均匀的,则所有的束缚电荷都是面束缚电荷。假设电极化强度含时间,则束缚电荷密度也含时间,因而产生了“电极化 电流密度 ”。 绝缘介质 的总电流密度是自由电流密度、束缚电流密度和电极化电流密度的总和。

机理

如果材料受到一个外电场E的作用, 原子核 和 电子云 的正、负电荷沿相反方向发生位移,从而产生 极化 。这样, 原子 就成为一个暂时的或者感应的 偶极子 。所有的材料,不论其固态下为何种类型的键合,都能发生这种极化。如果去掉外加 电场 ,极化随之消失。由于外施电场而产生偶极矩称为感应偶极矩(induced dipole moment)。在这种形式的极化中,电场使正、负电荷相互分离的作用力与由于正、负电荷间互相吸引的库仑 引力 (束缚力)相互平衡而产生偶极矩。这两种力都是电作用力,具有与温度无关的特点。

电极化强度与电场的关系

电极化强度、电场、 电位移 ,这三个 向量 的关系式为一个定义式。对于 各向同性 、线性 绝缘介质 ,电极化强度和电场的比例是 电极化率 。所以,电位移与 电场 成正比。电极化强度、电场、电位移,这三个向量的方向都一样。对于 各向异性 、线性电介质,电极化强度和电场的方向不一定一样。电极化强度的分量与电场的分量的关系式为电介质的电极化率 张量 。假若电极化强度和电场不呈线性正比,则称这电介质为非线性电介质。 非线性光学 可以用来描述这种电介质的性质。对于铁电材料,因为迟滞现象,电极化强度与电场之间,不存在一一对应关系。

参阅

- 马克士威 方程组 。

- 克劳修斯-莫索提方程式。

- 驻极体。