位移极化

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在外电场作用下,构成电介质的分子、原子或离子中的外围电子云相对原子核发生弹性位移而产生感应偶极矩的现象,称为电子位移极化,简称位移极化。
中文名
位移极化
外文名
Displacement polarization
范    畴
电介质极化
特    点
弹性的、瞬间完成的
领    域
电磁学
相关名词
松弛极化

位移极化简介

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这是一种电介质极化现象。首先,将一块由无极分子组成的均匀电介质放在外电场中时,由于分子中的正、负电荷受到相反方向的电场力,因而正、负电荷中心将发生微小的相对位移,从而形成电偶极子,其电偶极矩将沿外电场方向排列起来。这时,沿外电场方向电介质的前后两表面也将分别出现正、负极化电荷。这是弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的一种极化方式。
无极分子:分子的正电荷中心与负电荷中心重合。
无极分子的等效电偶极矩:
无极分子电介质整体也是呈中性的。 [1] 

位移极化分类

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位移极化可分为电子位移极化和离子位移极化。

位移极化电子位移极化

电子位移极化是在外电场作用下,构成电介质的原子或离子中的外围电子云相对原子核发生弹性位移而产生感应偶极矩的现象。在交变电场的作用下,可以将其看做一个弹簧振子,弹性恢复力为-kx。
建立牛顿方程:
电偶极矩:
弹簧振子的固有频率:
,得

位移极化离子位移极化

例子在电场的作用下,偏移平衡位置引起的极化。
在交变电场作用下,离子在电场中的运动设想为弹簧振子。
感生的电偶极矩为
同上得出弹性振子的固有频率:
离子位移极化率:

位移极化电介质的极化

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位移极化电介质极化机制

组成宏观物体的大量粒子,由于热运动的原因,粒子的取向处于混乱状态,无论粒子本身是否具有电矩,由于热运动平均的结果,使粒子对宏观电极化的贡献总是等于零,只有在外加电场的作用下,粒子才会沿电场方向贡献一个可以累加起来以给出宏观极化强度的电矩,在宏观外加电场的作用比起结构粒子(复合粒子)内部的相互作用要小的多的情况下,作用在粒子上的局域电场使粒子极化而产生电偶极矩。
α称为微观极化率(Polarizability)。
一个粒子对极化率的贡献可以有不同的原因:
1.电子云畸变引起的负电荷中心位移产生感应电矩,称电子位移极化,其极化率
2.正负离子中心发生相对位移,发生感应电矩,称离子位移极化,其极化率
3.固有电偶极矩沿外电场方向转向称取向极化,其极化率
4.实际电介质,因为不均匀,可能存在夹层,也可能存在大量的晶体缺陷
前两种极化为位移极化,后两种极化为弛豫极化。
性质:
(1)电子位移极化是原子或离子在电场作用下因电子云畸变而产生位移发生相对位移的电子主要是价电子,这因为这些电子在轨道的最外层和次外层,离核最远,受核束缚最小;
(2)电子位移极化对外场的响应时间很短,约
又称光频极化;
(3)在电场作用下,任何电介质都有电子位移极化发生,原子,分子,离子电子位移极化产生的感应偶极矩。

位移极化无极分子的位移极化

加上外电场后,在电场力作用下电介质分子的正负电荷中心不再重合,形成一个电偶极子,它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向。
电介质的两个和外电场强度
相垂直的表面层里,将分别出现正电荷和负电荷。这些电荷不能离开介质,也不能在电介质中自有移动,我们称之为极化电荷。这种在外电场作用下,在电介质中出现极化电荷的现象叫做电介质的极化。
由于无极分子的极化在于正、负电荷中心的相对位移,所以常叫做位移极化。

位移极化有极分子的取向极化

无外电场时,有极分子电偶极矩取向不同,整个介质不带电。
在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用,电矩方向转向和外电场方向趋于一致。
有极分子的极化就是等效电偶极子转向外电场的方向,所以叫做取向极化。
一般来说,分子在取向极化的同时还会产生位移极化,但是,对于有极分子电介质来说,在静电场作用下,取向极化的效应比位移极化的效应强得多,所以有极分子的极化机理是取向极化。
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参考资料
  • 1.    孙立蓉, 王华军. 介质材料电子位移极化理论[J]. 绝缘材料, 2005, 38(4):17-19.
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