電介質(zhì)的極化響應(yīng)

現(xiàn)象1++

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+++-----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：現(xiàn)象2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(yīng)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(qiáng)度：極化強(qiáng)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2C/m2-q+qu極化強(qiáng)度是電場所引起的一種響應(yīng)。在各向同性線性電介質(zhì)中，e為標(biāo)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)極化的宏觀概念當(dāng)兩電極間為真空時：當(dāng)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削減1/r倍，而電容量增大r倍。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(fù)電荷逆電場方向移動，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)宏觀、微觀極化的關(guān)系微觀極化：宏觀極化：因為：如設(shè)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：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(yīng)偶極矩產(chǎn)生電場的影響。有效電場：事實上引起電介質(zhì)中粒子產(chǎn)生感應(yīng)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)由此：——微觀極化——宏觀極化微觀-宏觀的聯(lián)系克勞修斯方程分子的極化及極化率：依據(jù)參與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。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極化建立和消退的時間極短。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：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。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的正電核和四周勻整分布、半徑為R、介電常數(shù)為0的球狀電子云組成。當(dāng)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！原子核受到的電場力和電子云的庫倫力平衡：即：因此，電偶極矩：極化率：已知氫原子半徑R=0.78A1.證明氫原子的電子位移極化率αe=4πε0R3,ε0=8.85*10-12F/m。2.

若氫原子處于E=100V/m的電場中，求氫原子的感應(yīng)電矩μ。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，則：F=fF=QEf=QES即：所以：2.圓周軌道模型用玻爾原子模型來考慮被探討原子。即，一個電電荷-Q沿著環(huán)繞電荷為+Q的原子核作軌道運行。ooAMdFE=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更規(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，但探討發(fā)覺，e/40R3值大，對極化貢獻(xiàn)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：10-14–10-16s，極化無損耗。電子位移極化的結(jié)論水分子的偶極矩：O2-H+H+104oH+RO2-H+H+2H+REE2E1水分子的偶極矩等于：6.110-30庫米，為強(qiáng)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180o）。離子位移極化離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionicpolarization)。極化率用i表示。-q+qE-q+q無外加電場：正、負(fù)離子沒有相對位移，對晶體的總偶極矩沒有貢獻(xiàn)。有外加電場：正、負(fù)離子發(fā)生相對位移，對晶體的總偶極矩有較大貢獻(xiàn)。當(dāng)相對位移不是很大時，可以將正、互離子之間的回復(fù)力看成準(zhǔn)彈性力。設(shè)彈性系數(shù)為K，平衡時FE=Fr，即qE=Kr。FE=KrFr=qE正、負(fù)離子位移形成的偶極矩為：于是：？？？設(shè)正、負(fù)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：依據(jù)正、負(fù)離子對的固有諧振頻率用試驗方法求解Ｋ值其中，m為離子對的折合質(zhì)量：利用波動力學(xué)和物理化學(xué)的關(guān)系：則：式中可由吸取光譜測得，其它參數(shù)為已知常數(shù)。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退時間與離子晶格振動周期有相同數(shù)量級，10-12~10-13秒。偶極子轉(zhuǎn)向極化當(dāng)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：10-6~10-2秒，為慢極化。熱離子極化簡潔發(fā)在晶體缺陷區(qū)域部分或玻璃體內(nèi)?！趼?lián)系體Ｕ缺陷區(qū)