电介质极化机制

电介质使电容增大的原因也可作类似的解释。可以设想，把电介质插人电场中后，由于同号电荷相斥，异号电荷相吸的结果，介质表面上也会出现类似图10-14所示的正负电荷。把这种现象叫做电介质的极化（polari-zation)，它表面上出现的这种电荷叫做极化电荷。电介质上的极化电荷与导体上的感应电荷一样，起着减弱电场、增大电容的作用。不同的是，导体上出现感应电荷，是其中自由电荷重新分布的结果；而电介质上出现极化电荷，是其中束缚电荷的微小移动造成的宏观效果。由于束缚电荷的活动不能超出原子的范围，因此电介质上的极化电荷比导体上的感应电荷在数量上要少得多。极化电荷在电介质内产生的电场E/不能把外场E。全部抵消，只能使总场有所削弱。综上所述，导体板引起电容增大的原因在于自由电荷的重新分布；电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。因此，有必要进一步讨论电介质极化的物理机制。2极化的微观机制前己指出，任何物质的分子或原子（以下统称分子）都是由带负电的电子和带正电的原子核组成的，整个分子中电荷的代数和为0。正、负电荷在分子中都不是集中于一点的。但在离开分子的距离比分子的线度大得多的地方，分子中全部负电荷对于这些地方的影响将和一个单独的负点电荷等效。这个等效负点电荷的位置称为这个分子的负电荷“重心”，例如一个电子绕核作匀速圆周运动时，它的“重心”就在圆心；同样，每个分子的正电荷也有一个正电荷“重心”。电介质可以分成两类，在一类电介质中，当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”是重合的，这类分子叫做无极分子；在另一类电介质中，即使当外电场不存在时，电介质分子的正、负电荷“重心”也不重合，这样，虽然分子中正、负电量的代数和仍然是0，但等量的正负电荷“重心”互相错开，形成一定的电偶极矩，叫做分子的固有电矩，这类分子称为有极分子。下面我们分别就这两种情况来讨论。(l)无极分子的位移极化H2+N2+1CC14等分子是无极分子，在没有外电场时整个分子没有电矩。加了外电场后，在场力作用下每一分子的正、负电荷“重心”错开了，形成了一个电偶极子（图4一3a)，分子电偶极矩的方向沿外电场方向，这种在外电场作用下产生的电偶极矩称为感生电矩。以后在图中用小箭头表示分子电偶极子，其始端为负电荷，未端为正电荷。对于一块电介质整体来说，由于其中每一分子形成了电偶极子，它们的情况可用图2-15b表示。各个偶极子沿外电场方向排列成一条条“链子”，链上相邻的偶极子间正、负电荷互相靠近，因而对于均匀电介质来说，其内部各处仍是电中性的；但在和外电场垂直的两个端面上就不然了，一端出现负电荷，另一端出现正电荷，这就是极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，它们不能离开电介质而转移到其它带电体上，也不能在电介质内部自由运动。在外电场的作用下电介质出现极化电荷的现象，就是电介质的极化。由于电子的质量比原子核小得多，所以在外场作用下主要是电子位移，因而＿L面讲的无极分子的极化机制常称为电子位移极化。图2-15电子的位移极化(2)有极分子的取向极化水分子是有极分子的例子（图2-15a)。在没有外电场时，虽然每分子具有固有电矩，但由于分子的不规则热运动，在任何一块电介质中，所有分子的固有电矩的矢量和，平均说来互相抵消，即电矩的矢量和为为0，宏观上不产生电场。现在加上外电场E0，则每个分子电矩都受到力矩作用（图2-15b)，使分子电矩方向转向外电场方向，于是不是0了，但由于分子热运动的缘故，这种转向并不完全，即所有分子偶极子不是很整齐地依照外电场方向排列起来。当然，外电场愈强，分子偶极子排列得愈整齐。对于整个电介质来说，不管排列的整齐程度怎样，在垂直于电场方向的两端面上多少也产生一些极化电荷如图4-4c所示，在外电场作用下，由于绝大多数分子电矩的方向都不同程度地指向右方，所以图中左端便出现了末被抵消的负束缚电荷，右端出现正的束缚电荷、这种极化机制称为取向极化。图2-15电子的位移极化