電場中的電介質

人類已知的所有物質都能夠不同程度地傳導電流：有些傳導電流更好，有些更差，有些則幾乎不傳導。根據這種能力，物質分為三大類：

• 電介質；

• 半導體；

• 導體。

理想的電介質不包含能夠移動很遠距離的電荷，也就是說，理想電介質中沒有自由電荷。但是，當置於外部靜電場中時，電介質會對其作出反應。發生介電極化，即在電場的作用下，電介質中的電荷發生位移。這種特性，即電介質的極化能力，是電介質的基本特性。

因此，電介質的極化包括極化率的三個組成部分：

• 電子的;

• 喬娜；

• 偶極子（方向）。

在極化中，電荷在靜電場的作用下發生位移。結果，每個原子或每個分子都會產生一個電矩 P。

電介質內部偶極子的電荷相互補償，但在與作為電場源的電極相鄰的外表面上，出現與相應電極電荷符號相反的表面相關電荷。

相關電荷 E' 的靜電場總是指向外部靜電場 E0。事實證明，在電介質內部存在等於 E = E0 — E' 的電場。

如果將一個由電介質製成的平行六面體置於強度為 E0 的靜電場中，則其電矩可由下式計算： P = qL = σ'SL = σ'SlCosφ，其中 σ' 是相關電荷的表面密度，φ 是區域 S 的表面與其法線之間的角度。

另外，已知n——電介質單位體積的分子濃度和P1——一個分子的電矩，我們可以計算出極化矢量的值，即電介質的單位體積電矩。

現在代入平行六面體的體積 V = SlCos φ，很容易得出結論，極化電荷的表面密度在數值上等於表面上給定點處極化矢量的法向分量。邏輯結果是電介質中感應的靜電場 E' 僅影響所施加的外部靜電場 E 的法向分量。

在根據電壓、極化率和真空介電常數寫出分子的電矩後，極化矢量可以寫成：

其中α是給定物質一個分子的極化率，χ = nα是介電磁化率，是表徵單位體積極化的宏觀量。介電敏感性是一個無量綱的量。

因此，與 E0 相比，所產生的靜電場 E 僅改變了正常分量。場的切向分量（與表面相切）不會改變。因此，以矢量形式，所得場強的值可以寫成：

電介質中產生的靜電場的強度值等於外部靜電場的強度除以介質的介電常數ε：

介質的介電常數ε=1+χ是電介質的主要特性，表示其電性能。該特性的物理意義是表示給定電介質中的場強 E 比真空中的場強 E0 小多少倍：

當從一種介質傳遞到另一種介質時，靜電場的強度急劇變化，在介電常數ε2與球的介電常數不同的介質中，場強對介質球半徑的依賴關係圖ε1 反映了這一點：

鐵電體

1920 年是發現自發極化現象的一年。對這種現象敏感的物質組稱為鐵電體或鐵電體。該現象的發生是由於鐵電體具有各向異性的特性，其中鐵電現像只能沿其中一個晶軸觀察到。在各向同性電介質中，所有分子都以相同的方式極化。對於各向異性——在不同的方向上，偏振矢量的方向不同。

鐵電體的特點是在特定溫度範圍內具有較高的介電常數 ε 值：

在這種情況下，ε 的值取決於施加到樣品的外部靜電場 E 和样品的歷史。這裡的介電常數和電矩非線性地取決於力E，因此鐵電體屬於非線性電介質。

鐵電體的特點是居里點，即從一定溫度開始及更高，鐵電效應消失。在這種情況下，會發生二階相變，例如，對於鈦酸鋇，居里點的溫度為+133°C，對於羅謝爾鹽從-18°C到+24°C，對於鈮酸鋰+ 1210℃。

由於電介質是非線性極化的，因此此處會發生電介質滯後現象。飽和發生在圖表的點«a»。 Ec — 矯頑力，Pc — 殘餘極化。極化曲線稱為磁滯迴線。

由於朝向最小勢能的趨勢，以及由於其結構中固有的缺陷，鐵電體在內部分裂成疇。這些域具有不同的極化方向，並且在沒有外場的情況下，它們的總偶極矩幾乎為零。

在外場E的作用下，磁疇邊界發生位移，部分相對於場極化的區域有助於磁疇在場E方向上的極化。

這種結構的一個生動例子是 BaTiO3 的四方變體。

在足夠強的場 E 中，晶體變成單疇，並且在關閉外場後，極化仍然存在（這是殘餘極化 Pc）。

為了使具有相反符號的區域的體積相等，有必要在相反的方向上向樣品施加外部靜電場 Ec，即矯頑場。

電工

在電介質中，有永磁體的電氣類似物 - 電極。這些特殊的電介質即使在外部電場關閉後也能長時間保持極化。

壓電

在自然界中，存在因機械衝擊而極化的電介質。晶體通過機械變形被極化。這種現像被稱為壓電效應。它於 1880 年由雅克和皮埃爾居里兄弟開設。

結論如下。在位於壓電晶體表面的金屬電極處，在晶體變形的瞬間會產生電位差。如果電極被電線閉合，那麼電路中就會出現電流。

反向壓電效應也是可能的——晶體的極化導致其變形。當電壓施加到壓電晶體的電極上時，晶體會發生機械變形；它與施加的場強 E0 成正比。目前，科學界已知的壓電材料有 1800 多種。極性相中的所有鐵電體都表現出壓電特性。

熱電體

一些介電晶體在加熱或冷卻時會極化，這種現象稱為熱電。例如，熱釋電樣品的一端在加熱時帶負電，而另一端帶正電。並且當它冷卻時，加熱時帶負電的一端會在冷卻時帶正電。顯然，這種現象與物質的初始極化隨溫度變化而變化有關。

每個熱釋電都有 壓電特性，但並非每個壓電體都是熱電體。一些熱電體具有鐵電特性，即它們能夠自發極化。

電動位移

在介電常數值不同的兩種介質的邊界處，靜電場E的強度在ε急劇變化的地方急劇變化。

為了簡化靜電學中的計算，引入了電位移矢量或電感應 D。

由於 E1ε1 = E2ε2，則 E1ε1ε0 = E2ε2ε0，這意味著：

即在從一種環境過渡到另一種環境的過程中，電位移矢量保持不變，即電感應。圖中清楚地顯示了這一點：

對於真空中的點電荷，電位移矢量為：

與磁場的磁通量一樣，靜電學使用電位移矢量的通量。

因此，對於均勻的靜電場，當電位移矢量 D 的線與法線成 α 角穿過區域 S 時，我們可以寫成：

向量 E 的 Ostrogradsky-Gauss 定理允許我們獲得向量 D 的相應定理。

因此，電位移矢量 D 的 Ostrogradsky-Gauss 定理聽起來像這樣：

矢量 D 通過任何封閉曲面的通量僅由自由電荷決定，而不是由該曲面所包圍的體積內的所有電荷決定。

例如，我們可以考慮兩個具有不同 ε 的無限延伸電介質以及被外場 E 穿透的兩種介質之間的界面的問題。

如果ε2>ε1，那麼考慮到E1n / E2n = ε2 / ε1和E1t = E2t，因為只有向量E的法線分量發生變化，所以只有向量E的方向發生變化。

我們得到了矢量強度 E 的折射定律。

矢量 D 的折射定律類似於 D = εε0E，如圖所示：