电场中的电介质

人类已知的所有物质都能够不同程度地传导电流：有些传导电流更好，有些更差，有些则几乎不传导。根据这种能力，物质分为三大类：

• 电介质；

• 半导体；

• 导体。

理想的电介质不包含能够移动很远距离的电荷，也就是说，理想电介质中没有自由电荷。但是，当置于外部静电场中时，电介质会对其作出反应。发生介电极化，即在电场的作用下，电介质中的电荷发生位移。这种特性，即电介质的极化能力，是电介质的基本特性。

因此，电介质的极化包括极化率的三个组成部分：

• 电子的;

• 乔娜；

• 偶极子（方向）。

在极化中，电荷在静电场的作用下发生位移。结果，每个原子或每个分子都会产生一个电矩 P。

电介质内部偶极子的电荷相互补偿，但在与作为电场源的电极相邻的外表面上，出现与相应电极电荷符号相反的表面相关电荷。

相关电荷 E' 的静电场总是指向外部静电场 E0。事实证明，在电介质内部存在等于 E = E0 — E' 的电场。

如果将一个由电介质制成的平行六面体置于强度为 E0 的静电场中，则其电矩可由下式计算： P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ，其中 σ' 是相关电荷的表面密度，φ 是区域 S 的表面与其法线之间的角度。

另外，已知n——电介质单位体积的分子浓度和P1——一个分子的电矩，我们可以计算出极化矢量的值，即电介质的单位体积电矩。

现在代入平行六面体的体积 V = SlCos φ，很容易得出结论，极化电荷的表面密度在数值上等于表面上给定点处极化矢量的法向分量。逻辑结果是电介质中感应的静电场 E' 仅影响施加的外部静电场 E 的法向分量。

在根据电压、极化率和真空介电常数写出分子的电矩后，极化矢量可以写成：

其中α为给定物质一个分子的极化率，χ = nα为介电磁化率，是表征单位体积极化的宏观量。介电敏感性是一个无量纲的量。

因此，与 E0 相比，所产生的静电场 E 仅改变了正常分量。场的切向分量（与表面相切）不会改变。因此，以矢量形式，所得场强的值可以写成：

电介质中产生的静电场的强度值等于外部静电场的强度除以介质的介电常数ε：

介质的介电常数ε=1+χ是电介质的主要特性，表示其电性能。该特性的物理意义是表示给定电介质中的场强 E 比真空中的场强 E0 小多少倍：

当从一种介质传递到另一种介质时，静电场强度急剧变化，在介电常数ε2与球的介电常数不同的介质中，场强对介电球半径的依赖关系图ε1 反映了这一点：

铁电体

1920 年是发现自发极化现象的一年。对这种现象敏感的物质组称为铁电体或铁电体。该现象的发生是由于铁电体具有各向异性的特性，其中铁电现象只能沿其中一个晶轴观察到。在各向同性电介质中，所有分子都以相同的方式极化。对于各向异性——在不同的方向上，偏振矢量的方向不同。

铁电体的特点是在特定温度范围内具有较高的介电常数 ε 值：

在这种情况下，ε 的值取决于施加到样品的外部静电场 E 和样品的历史。这里的介电常数和电矩非线性地取决于力E，因此铁电体属于非线性电介质。

铁电体的特点是居里点，即从一定温度开始及更高，铁电效应消失。在这种情况下，会发生二阶相变，例如，对于钛酸钡，居里点的温度为+133°C，对于罗谢尔盐从-18°C到+24°C，对于铌酸锂+ 1210℃。

由于电介质是非线性极化的，因此此处会发生电介质滞后现象。饱和发生在图表的“a”点。 Ec — 矫顽力，Pc — 残余极化。极化曲线称为磁滞回线。

由于朝向最小势能的趋势，以及由于其结构中固有的缺陷，铁电体在内部分裂成畴。这些域具有不同的极化方向，并且在没有外场的情况下，它们的总偶极矩几乎为零。

在外场E的作用下，磁畴边界发生位移，部分相对于场极化的区域有助于磁畴在场E方向上的极化。

这种结构的一个生动例子是 BaTiO3 的四方变体。

在足够强的场 E 中，晶体变成单畴，并且在关闭外场后，极化仍然存在（这是残余极化 Pc）。

为了使具有相反符号的区域的体积相等，有必要在相反的方向上向样品施加外部静电场 Ec，即矫顽场。

电工

在电介质中，有永磁体的电气类似物 - 电极。这些特殊的电介质即使在外部电场关闭后也能长时间保持极化。

压电

在自然界中，存在因机械冲击而极化的电介质。晶体通过机械变形被极化。这种现象被称为压电效应。它于 1880 年由雅克和皮埃尔居里兄弟开设。

结论如下。在位于压电晶体表面的金属电极处，在晶体变形的瞬间会产生电位差。如果电极被电线闭合，那么电路中就会出现电流。

反向压电效应也是可能的——晶体的极化导致其变形。当电压施加到压电晶体的电极上时，晶体会发生机械变形；它与施加的场强 E0 成正比。目前，科学界已知的压电材料有 1800 多种。极性相中的所有铁电体都表现出压电特性。

热电体

一些介电晶体在加热或冷却时会极化，这种现象称为热电。例如，热释电样品的一端在加热时带负电，而另一端带正电。并且当它冷却时，加热时带负电的一端会在冷却时带正电。显然，这种现象与物质的初始极化随温度变化而变化有关。

每个热释电都有 压电特性，但并非每个压电体都是热电体。一些热电体具有铁电特性，即它们能够自发极化。

电动位移

在介电常数值不同的两种介质的边界处，静电场E的强度在ε急剧变化的地方急剧变化。

为了简化静电学中的计算，引入了电位移矢量或电感应 D。

由于 E1ε1 = E2ε2，则 E1ε1ε0 = E2ε2ε0，这意味着：

即在从一种环境过渡到另一种环境的过程中，电位移矢量保持不变，即电感应。图中清楚地显示了这一点：

对于真空中的点电荷，电位移矢量为：

与磁场的磁通量一样，静电学使用电位移矢量的通量。

因此，对于均匀的静电场，当电位移矢量 D 的线与法线成 α 角穿过区域 S 时，我们可以写成：

向量 E 的 Ostrogradsky-Gauss 定理允许我们获得向量 D 的相应定理。

因此，电位移矢量 D 的 Ostrogradsky-Gauss 定理听起来像这样：

矢量 D 通过任何封闭曲面的通量仅由自由电荷决定，而不是由该曲面所包围的体积内的所有电荷决定。

例如，我们可以考虑两个具有不同 ε 的无限延伸电介质以及被外场 E 穿透的两种介质之间的界面的问题。

如果ε2>ε1，那么考虑到E1n / E2n = ε2 / ε1和E1t = E2t，因为只有向量E的法线分量发生变化，所以只有向量E的方向发生变化。

我们得到了矢量强度 E 的折射定律。

矢量 D 的折射定律类似于 D = εε0E，如图所示：