电介质的极化-大学物理

电介质是由大量电中性分子组成的绝缘体。在这些分子中，正负电荷结合得很紧密，处于束缚状态，不能自由运动，在电场作用下做无规则的宏观运动，因而电介质中没有传导电流，但是电介质分子中的电荷分布会受到外电场的作用而发生变化，从而改变了原来的电场分布。

根据分子内部电结构的不同，电介质分子可以分为两大类：在一类介质中，分子的正、负电荷中心不重合，可将它等效看成由一对等值异号的点电荷构成的电偶极子，这种分子称为有极分子，属于这一类分子有H2O、HCl、NH3、CO、CH3OH等；另一类电介质分子中，正、负电荷中心重合，电偶极矩为零，称为无极分子，例如，H2、N2、O2、CO2、CH4等。

将电介质置于静电场中，它的分子电荷分布发生变化。如果电介质由无极分子组成，这些分子的正、负电荷中心将发生微小的位移，彼此错开一段距离，形成一个电偶极子，分子电偶极矩的方向沿外电场方向（讨论的电介质是各向同性的）。如果电介质是均匀的，从宏观上看，正、负电荷都是连续分布的，于是电介质内部呈现中性，在电介质表面上就有可能出现正、负电荷，如图6—24所示。把这种在外电场作用下电介质表面出现正、负电荷层的现象称为电介质的极化。这种极化是由于正、负电荷中心的位移而形成的，又称为位移极化。如果电介质是有极分子组成的，在没有外电场情况下，由于热运动的结果，各有极分子的电偶极矩方向是杂乱分布的，但在有外电场存在情况下，各分子的电偶极矩将受到外电场的力偶矩作用，力图使其转到与外电场一致的方向。然而，由于分子的热运动，使这种取向只可能是部分的，如图6—25所示。同样的理由，由于电介质是均匀的，电介质内部宏观上呈电中性，而在电介质表面上出现正、负电荷层。这种极化是由于分子电偶极矩趋向外场方向而形成，称为取向极化。

图6—24　无极分子电介质的极化(www.xing528.com)

图6—25　有极分子电介质的极化

需要指出的是，位移极化在任何电介质中都存在，而取向极化只是有极分子构成的电介质所独有的。在有极分子构成的电介质中，取向极化效应比位移极化强得多（约大一个数量级），因而它是主要的。

如上所述，水是极性分子，水分子与水分子之间存在电偶极子相互作用，使它们以氢键的形式相互偶联在一起，形成具有一定结构的各种不同大小的缔合态水分子，由于分子热运动，使缔合态遭到程度不同的破坏，最终使水内部的水分子处在有序（缔合态）和无序（非缔合态）的统计平衡状态之中。生命活动中不可缺少的水这种特点，使它在电磁场作用下会出现多种有趣的效应，其中一些效应已在工农业生产和人类日常活动中得到应用。