6.2.1 电介质的极化
电介质是由大量电中性分子组成的绝缘体,分子中外层电子与原子核的相互作用很强,结合得很紧密,电子呈束缚状态,因此电介质中几乎不存在可以自由移动的电荷。即使在外电场中,电子也很难挣脱原子核的束缚发生定向移动。按照分子内部结构,电介质可分为以下两类。
(1)无极分子电介质:无外电场时,分子正负电荷中心重合(如H 2、He、CH 4)。
无极分子在没有受到外电场作用时,它的正负电荷的中心是重合的,因而没有电偶极矩,如图6.16(a)所示。但当外电场存在时,它的正负电荷的中心发生相对位移,形成一个电偶极子,其偶极矩p方向沿外电场E 0的方向,如图6.16(b)所示。对一块介质整体来说,由于电介质中每一个分子都成为电偶极子,所以它们在电介质中的排列如图6.16(c)所示,在电介质内部,相邻电偶极子正负电荷相互靠近,因而对于均匀电介质来说,其内部仍是电中性的。但在和外电场垂直的两个端面上就不同了,由于电偶极子的负端朝向电介质一面,正端朝向另一面,所以电介质的一面出现负电荷,一面出现正电荷,显然这种正负电荷是不能分离的,故称为束缚电荷,也叫作极化电荷。
图6.16 电介质的极化
结论:无极分子的电极化是分子的正、负电荷的中心在外电场的作用下发生相对位移的结果,这种电极化称为位移电极化。
(2)有极分子电介质:即使无外电场时,分子的正负电荷中心也不重合(如HCl、NH 3、H 2 O、CO等)。分子正负电荷中心不重合时相当于一个电偶极子。
有极分子本身就相当于一个电偶极子,在没有外电场时,由于分子做不规则热运动,这些分子偶极子的排列是杂乱无章的,如图6.16(d)所示,所以电介质内部呈电中性。当有外电场时,每一个分子都受到一个电力矩作用,如图6.16(e)所示,这个力矩要使分子偶极子转到外电场方向,只是由于分子的热运动,各分子偶极子不能完全转到外电场的方向,只是部分地转到外电场的方向,即所有分子偶极子不是很整齐地沿着外电场E 0方向排列起来,如图6.16(f)所示。但随着外电场E 0的增强,排列的整齐程度增大。无论排列的整齐程度如何,在垂直外电场的两个端面上都产生了束缚电荷。
有极分子的电极化是分子偶极子在外电场的作用下发生转向的结果,故这种电极化称为转向电极化。
说明:在静电场中,两种电介质电极化的微观机理显然不同,但是宏观结果即在电介质中出现束缚电荷的效果时却是一样的,故在宏观讨论中不必区分它们。