2.2.2 介质极化的不同微观机制
电介质的极化现象，归根结底是电介质中的微观荷电粒子在电场的作用下，其电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。按照微观机制，可归纳为以下几种基本形式：电子位移极化、离子位移极化、偶极子位移极化、空间电荷极化及自发极化等。不同结构的电介质，可能存在着完全不同的极化形式，甚至还有可能上述几种极化同时存在于一种电介质中。
1.电子位移极化
电介质中原子、分子和离子等任意粒子，在电场作用下都能感生一个沿电场方向的感应偶极矩。这是由于在电场的作用下，粒子中的电子云相对原子核发生位移引起的，因此称为电子位移极化，该极化存在于一切介质之中。电子位移极化建立的时间很短，约在10-14～10-16s范围。这表明，若所加电场为交变电场，其频率即使高达光频，电子位移极化也来得及响应。因此电子位移极化又有光频极化之称。
2.离子位移极化
在离子晶体和玻璃等无机介质中，正负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。当在电场作用下，这些离子除产生电子位移极化外，离子本身还将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动，形成感生偶极矩，这就是离子位移极化。随着温度的升高，离子间距在热膨胀时增大了，离子间相对作用力减弱，因此离子位移极化率随温度升高而增大，但增大甚微。离子位移极化对外电场的响应时间也较短，约为10-12～10-13s，比电子位移极化慢2～3个数量级，与离子在平衡位置的固有振动频率相当。
3.偶极子转向极化
非晶态极性有机电介质的分子或分子链节具有一定的固有偶极矩μ0，可以把它们看成是偶极子。这种电介质在没有外电场作用时，由于分子的热运动使偶极子分子或链节作混乱排布，分子的偶极矩在空间各个方向取向的概率相同，介质对外不显极性，宏观电矩∑u0为零。(https://www.daowen.com)
在电场作用下，偶极分子或链节要受到电场转矩的作用，驱使它们沿电场方向取向。但热运动却使分子作混乱排布，起解除取向的作用。此外，分子间的相互作用也阻碍极性分子在电场方向的取向。在一定温度和电场作用下，偶极分子或链节达到一个新的统计平衡状态。在新的平衡状态下，偶极子在空间各个方向取向的概率就不再相同，沿电场方向取向的概率大于其他方向，因此就在电场方向形成宏观偶极矩，这就是偶极子转向极化。
由于偶极子转向受到分子热运动的无序化作用和分子间的相互作用，以致于这种极化对外电场的响应时间比较长。并且对应于各种不同的固有偶极子结构，响应时间也不相同，其范围较大，约为10-8～10-2s甚至更长。
4.热离子位移极化
离子位移极化是由离子晶体中处于正常结点上的正负离子在其平衡位置上做相对弹性位移而形成的。这种处于正常结点上的正负离子能量最低，最为稳定，离子间相互作用力很强，一般称为强束缚离子。相对这种强束缚离子，离子型结构电介质中尚存一些弱束缚离子，如外来掺杂离子或处于晶格缺陷位置的离子。这些弱束缚离子的位能稍高，不那么稳定，容易受热而激活。在外电场作用下，除了有部分构成电导外，另一部分可能还不足以越过所有阻隔它们运动的势垒，只能在一个不大的区域内越过一些较低的势垒，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置，这些弱束缚离子被相当高的势垒限制住，只能在一个很小的范围内迁移。
热离子位移极化建立的时间较慢，约为10-2s。因此，当外加电场频率较高时，极化改变就滞后于电场的改变，这种现象称之为“极化弛豫”现象，因此这种极化又称为离子松弛极化。
5.空间电荷极化
当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下，载流子将移动而使介质有微小的漏导电流。由于实际介质往往是结构不均匀的材料，如电子陶瓷就是一个典型的多相系统，它既有结晶相，同时也会有玻璃相和气相，各相间的介电性能也不完全相同，因此载流子有可能被阻止在这些相界面上，形成空间电荷的局部积累，使介质中电荷分布不均匀，从而产生电矩，发生极化，这种现象称之为空间电荷极化或夹层式极化。这种极化还可在晶格缺陷、介质与电极的界面形成。显然，它一般发生在非均质材料和复合介质材料中。由于形成空间电荷极化的是自由电荷载流子，因此，其极化的强弱与介质的电导密切相关。在高温和强电场的情况下，空间电荷容易扩散而不易聚集，使极化减弱，而原来对极化有贡献的载流子将转为电导。空间电荷极化建立的时间很长，从几分之一秒到几个小时，一般在直流和低频情况下出现，极化时将消耗能量。
土壤是一种固-液-气三相混合介质，含有多种不同性质的介质成分。在外电场的作用下，可能存在多种微观极化机制。当频率为零或频率很低（几赫兹到几十千赫兹）时，上述几种微观过程都参与作用，这时土壤的介电常数是一个实数。随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，这时土壤介电常数取复数形式[见式（2-14）]。
