极化现象的物理量探讨

1.极化现象

电介质最重要的性质就是在外电场作用下能够极化。所谓的极化从微观上说，一方面就是非极性质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。在电场作用下，构成质点的正负电荷在电场方向的有限范围内短程移动，组成一个偶极子。设正电荷与负电荷在外电场方向上的位移矢量为l（方向由负电荷指向正电荷），则定义此偶极子的电偶极矩（感应极矩）µ=ql，规定其方向从负电荷指向正电荷，即电偶极矩的方向与外电场E的方向一致。另一方面，如果介质中含有极性分子，则这些极性分子都可看作偶极子。在外电场作用下，极性分子发生转向，转向的结果是每一个极性轴趋于电场方向，每一个偶极子的电偶极矩应看作原极性分子偶极矩在电场方向的投影。而感生电偶极矩则是极性分子在加外电场后偶极矩在电场方向投影的增加量。

2.极化相关的物理量（在静电场中）

单位电场强度下，质点电偶极矩（指感应极矩，下同）的大小称为质点的极化率，即

式中，α为质点的极化率，表征材料的极化能力，只与材料的性质有关，其单位为F·m²；μ为质点电偶极矩大小，其单位为C·m；E_loc为作用在微观质点上的局部电场，它与宏观外电场并不相同。

定义介质单位体积内的电偶极矩总和为介质的极化强度，即

式中，P为介质的极化强度，其单位为C·m^-2；µ为质点的电偶极矩；V为介质的体积；

如果介质单位体积中的极化质点数等于n，每一偶极子的电偶极矩具有同一方向（电场方向），所表示矢量和的式（6-4）可用下面的标量式代替

P=nμ=nαE_loc （6-5）

式中，μ为各质点的平均偶极矩。(www.xing528.com)

定义

式中，E为宏观平均电场强度；χ称为电介质极化系数，它将介质的宏观电场和宏观物理量极化强度联系起来。不同电介质有不同的极化系数χ，可以证明极化系数χ和相对介电常数ε_r有如下关系

χ=ε_r-1 （6-7）

电位移D是为了描述电介质的高斯定理所引入的物理量，其定义为

D=ε₀E+P （6-8）

式中，D为电位移；E为电场强度；P为电极化强度。式（6-8）描述了D、E、P三矢量之间的关系，这对于各向同性电介质和各向异性电介质都是适用的。对各向同性电介质，联系式（6-6）和式（6-8）可得

D=ε₀E+P=ε₀E+ε₀χE=ε₀ε_rE=εE （6-9）

如果是各向异性介质，如石英单晶体等，则P与D、E的方向一般并不相同，极化系数χ也不能只用数值来表示，但式（6-8）仍适用。