电介质的极化响应.ppt

,现象1,现象2,极化的定义：在电场的作用下，电介质内部沿电场方向感应出偶极矩，即在电介质表面出现束缚电荷的物理现象。,极化强度：极化强度定义为电介质单位体积内电偶极矩的向量和，即,量纲：库/米2C/m2,极化强度是电场所引起的一种响应。在各向同性线性电介质中，e为标量，称为宏观极化率。在物理意义上，可用相对介电常数r或宏观极化率e来描述物质的介电性能。,电介质极化的宏观概念,当两电极间为真空时：,当电极间加入介电常数为r的介质后，由于电位移只取决于自由电荷Q0，所以：,因此：,电介质因极化使电场比真空时减少1/r倍，而电容量增大r倍。,电介质极化的微观概念,极化的微观概念：在电场作用下，虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能离开介质形成电流，只能产生微观尺度的相对位移出现偶极矩，这个现象叫做极化。,宏观、微观极化的关系,微观极化：,宏观极化：,因为：,如设N为单位体积内的偶极矩数，且把每个偶极矩看成相等，则：,对来说，不仅与宏观电场有关，同时还受到电介质内其他粒子感应偶极矩产生电场的影响。,有效电场：实际上引起电介质中粒子产生感应电极矩的电场，称为有效电场。,定义：,微观极化率，与电介质性质相关的常数,微观-宏观的联系,克劳修斯方程,分子的极化及极化率：根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；偶极矩转向极化。,电子位移极化,定义：在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移，其极化率称为电子位移极化率。,电荷中心重合,电荷中心不重合,极化建立和消除的时间极短。电子极化又称光频极化，振动频率在光频范围。,电子位移极化的特点：,在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系（没有介质损耗）。,引起介电常数增加。,电子极化率求解的简化模型,1.原子电子云模型一个原子可以看作是一个电荷为+Q的正电核和周围均匀分布、半径为R、介电常数为0的球状电子云组成。,当E不为0时，以电子云中心为参考点，原子核沿电场方向移动d，使核移动的电场力为：,原子核移动后受到电子云的库伦力为：,有效电子云的电量！,原子核受到的电场力和电子云的库伦力平衡：,即：,因此，电偶极矩：,极化率：,已知氢原子半径R=0.78A1.证明氢原子的电子位移极化率e=40R3,0=8.85*10-12F/m。2.若氢原子处于E=100V/m的电场中，求氢原子的感应电矩。,解：如图所示，在电场E的作用下，原子核相对电子云中心位移距离为d，,即：,所以：,2.圆周轨道模型用玻尔原子模型来考虑被研究原子。即，一个电电荷-Q沿着环绕电荷为+Q的原子核作轨道运行。,外加电场后，电场力FE和库仑力FR的平衡关系：,由于：,所以：,极化率,同族元素：e由上到下增大(外层电子数增加，原子半径增大)同周期元素：不定(外层电子数增加，但轨道半径可能减小)离子的电子位移极化率的变化规律与原子大致相同。离子半径大，极化率大；实测电子位移极化率与理论结果仍有差别，但研究发现，e/40R3值大，对极化贡献大，如：Pb2+;电子位移极化率与温度无关，因为，R与T无关；极化率为快极化：10-1410-16s，极化无损耗。,电子位移极化的结论,水分子的偶极矩：,水分子的偶极矩等于：6.110-30库米，为强极性分子。同样分子结构的CO2则为非极性分子（因它的键角为180）。,离子位移极化,离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionicpolarization)。极化率用i表示。,无外加电场：正、负离子没有相对位移，对晶体的总偶极矩没有贡献。,有外加电场：正、负离子发生相对位移，对晶体的总偶极矩有较大贡献。,当相对位移不是很大时，可以将正、互离子之间的回复力看成准弹性力。,设弹性系数为K，平衡时FE=Fr，即qE=Kr。,正、负离子位移形成的偶极矩为：,于是：,？,设正、负离子的质量分别为m1和m2，其固有谐振角频率和固有谐振频率满足：,根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解值,其中，m为离子对的折合质量：,利用波动力学和物理化学的关系：,则：,式中可由吸收光谱测得，其它参数为已知常数。,离子位移极化的结论,离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级，均在40（10-10）310-40法米2数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-1210-13秒。,偶极子转向极化,当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。,固有偶极矩,极化建立时间：10-610-2秒，为慢极化。,热离子极化,容易发在晶体缺陷区域部分或玻璃体内。弱联系体