电介质的极化响应

电介质的极化响应第1页，课件共38页，创作于2023年2月现象1第2页，课件共38页，创作于2023年2月++

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+++-----真空下，平板电容器极板上的电荷为Q0，则：加入电介质后，平板电容器极板上的电荷为自由电荷Q0和束缚电荷之Q’和，即：第3页，课件共38页，创作于2023年2月现象2第4页，课件共38页，创作于2023年2月极化的定义：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-q+qu第5页，课件共38页，创作于2023年2月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第6页，课件共38页，创作于2023年2月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。第7页，课件共38页，创作于2023年2月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。非极性介质离子型介质极性介质第8页，课件共38页，创作于2023年2月宏观、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：第9页，课件共38页，创作于2023年2月对来说，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第10页，课件共38页，创作于2023年2月由此：——微观极化——宏观极化微观-宏观的联系克劳修斯方程第11页，课件共38页，创作于2023年2月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。第12页，课件共38页，创作于2023年2月电子位移极化定义：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。E电荷中心重合电荷中心不重合第13页，课件共38页，创作于2023年2月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。第14页，课件共38页，创作于2023年2月电子极化率求解的简化模型-QQdRE1.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。第15页，课件共38页，创作于2023年2月当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！第16页，课件共38页，创作于2023年2月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：第17页，课件共38页，创作于2023年2月已知氢原子半径R=0.78A1.证明氢原子的电子位移极化率αe=4πε0R3,ε0=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μ。RdQSEFf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，第18页，课件共38页，创作于2023年2月则：F=fF=QEf=QES即：所以：第19页，课件共38页，创作于2023年2月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。o第20页，课件共38页，创作于2023年2月oAMdFE=QEFEFRRF外加电场后，电场力FE和库仑力FR的平衡关系：由于：所以：极化率第21页，课件共38页，创作于2023年2月同族元素：

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：10-14–10-16s，极化无损耗。电子位移极化的结论第22页，课件共38页，创作于2023年2月原子或离子实测电子极化率

e10-40F•m2原子半径a10-10m

e/40a3B0.0220.261.14Ag2.051.131.28Pb4.801.321.89Hg2.211.121.41C0.0130.201.50O3.0691.321.20S6.551.741.12Zr0.890.871.21Cu2.011.001.81第23页，课件共38页，创作于2023年2月水分子的偶极矩：O2-H+H+104ºH+R第24页，课件共38页，创作于2023年2月O2-H+H+2H+REE2E1第25页，课件共38页，创作于2023年2月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180º）。第26页，课件共38页，创作于2023年2月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。第27页，课件共38页，创作于2023年2月-q+qE-q+q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。FE=KrFr=qE第28页，课件共38页，创作于2023年2月正、负离子位移形成的偶极矩为：于是：？？？第29页，课件共38页，创作于2023年2月设正、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Ｋ值其中，m为离子对的折合质量：第30页，课件共38页，创作于2023年2月利用波动力学和物理化学的关系：则：第31页，课件共38页，创作于2023年2月式中可由吸收光谱测得，其它参数为已知常数。第32页，课件共38页，创作于2023年2月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4

0（10-10）3

10-40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，10-12~10-13秒。第33页，课件共38页，创作于2023年2月偶极子转向极化第34页，课件共38页，创作于2023年2月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：10-6~10-2秒，为慢极化。第35页，课件共38页，创作于2023年2月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Ｕ缺陷区ＵＸ热离子