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[导读]电工中一般认为电阻率超过10欧·厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着,因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下,这些电荷也只能在微观范围内移动,产生极化。在静电场中,电介质内部可以存在电场,这是电介质与导体的基本区别。不导电的物质,如空气、玻璃、云母片、胶木等。

电工中一般认为电阻率超过10欧·厘米的物质便归于电介质。电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着,因此这些粒子的电荷为束缚电荷。在外电场作用下,这些电荷也只能在微观范围内移动,产生极化。在静电场中,电介质内部可以存在电场,这是电介质与导体的基本区别。不导电的物质,如空气、玻璃、云母片、胶木等。

电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质,也包括真空。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类,后者包括玻璃、树脂和高分子聚合物等,是良好的绝缘材料。凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩,因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化,能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质的电阻率一般都很高,被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很高,不能称为绝缘体,但由于能发生极化过程,也归入电介质。

通常情形下电介质中的正、负电荷互相抵消,宏观上不表现出电性,但在外电场作用下可产生如下3种类型的变化:①原子核外的电子云分布 产生畸变,从而产生不等于零的电偶极矩,称为畸变极化;②原来正、负电中心重合的分子,在外电场作用下正、负电中心彼此分离,称为位移极化;③具有固有电偶极矩的分子原来的取向是混乱的,宏观上电偶极矩总和等于零,在外电场作用下,各个电偶极子趋向于一致的排列,从而宏观电偶极矩不等于零,称为转向极化。应用于显示的液晶,在静电效应的应用和防护方面的材料,可用于隐形技术方面的微波电介质材料,以及作为结构材料应用的电介质。

对电介质特殊效应的理论和应用构成了电介质物理学另一方面的研究内容 [1] 。这些特殊效应包括:①压电效应。一些晶体因受外力而产生形变时,会发生极化现象,在相对两面上形成异号束缚电荷,称为压电效应。压电晶体种类很多,常见的有石英、酒石酸钾钠(罗谢耳盐)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵(ADP)、钛酸钡,以及砷化镓、硫化锌等半导体和压电陶瓷等。压电晶体的机械振动可转化为电振动,常用来制造晶体振荡器,其突出优点是振荡频率的高度稳定性,无线电技术中可用来稳定高频振荡的频率,这种振荡器已广泛用于石英钟。压电晶体还普遍用于话筒、电唱头等电声器件中。利用压电现象可测量各种情形下的压力、振动和加速度等 [2] 。②电致伸缩。是压电效应的逆效应。一些晶体在电场作用下会发生伸长或缩短形变,称电致伸缩。利用电致伸缩效应可将电振动转变为机械振动,常用于产生超声波的换能器,以及耳机和高音喇叭等。

③驻极体。除去外电场或外加机械作用后,仍能长时间保持极化状态的电介质称为驻极体。驻极体同时具有压电效应和热电效应。技术上大多采用极性高分子聚合物作为驻极体材料。驻极体能产生30千伏/厘米的强电场。驻极体能存储电荷的性能已被用于静电摄影术和吸附气体中微小颗粒的气体过滤器。④热电效应。具有自发极化造成的宏观电偶极矩,并具有较大热胀系数的晶体称为热电晶体。处于自发极化状态的热电晶体,在电偶极矩正、负两端表面上本来存在着由极化形成的束缚电荷,但由于吸附了空气中的异号离子而不表现出带电性质。当温度改变时,热电晶体的体积发生显著变化,从而导致极化强度的明显改变,破坏了表面的电中性,表面所吸附的多余电荷将被释放出来,此现象称为热电效应。经人工极化的铁电体和驻极体都具有热电效应。热电效应已用于红外线探测和热成像技术。⑤电热效应。热电效应的逆效应,具有电热效应的电介质(多为驻极体)称为电热体。在绝热条件下借助于外电场改变电热体的永久极化强度时,它的温度会发生变化,此称为电热效应。绝热去极化可降低温度,与绝热去磁法(见磁热效应)一样可用来获得超低温。常用的电热材料有钛酸锶陶瓷和聚偏氟乙烯(PVF)等驻极体。⑥电光效应。某些各向同性的透明电介质在电场作用下变成光学各向异性的效应。

⑦铁电性。在一些电介质晶体中存在许多自发极化的小区域,每个自发极化的小区域称为铁电畴,其线度为微米数量级。同一铁电畴内各个电偶极矩取向相同,不同铁电畴的自发极化方向一般不同,因而宏观上总的电偶极矩为零。在外电场作用下各铁电畴的极化方向趋于一致,极化强度P与电场强度E有非线性关系。在峰值固定的交变电场反复作用下,P与E的关系曲线类似于磁滞回线(见铁磁性),称为电滞回线。以上性质称为铁电性,具有铁电性的电介质称铁电体。当温度升高到某一临界值Tc时,铁电畴互解,铁电性消失,铁电体转变为普通顺电性电介质,Tc称为铁电居里温度。铁电体具有很高的电容率。铁电体必定同时具有压电性和热电性。⑧铁弹性。一些晶体在其内部能形成自发应变的小区域,称为铁弹畴,同一铁弹畴内的自发应变方向(畴态)相同,任两个铁弹畴的畴态相同或呈镜面对称。外加应力可使铁弹畴从一个畴态过渡到另一畴态。外应力改变时,应变滞后于应力变化,且应力与应变是非线性关系。在周期性外应力作用下,应变与应力的关系曲线类似于磁滞回线,称为力滞回线。以上性质称为铁弹性,具有铁弹性的电介质称为铁弹体。铁弹体的电容率、折射率、电导率、热胀系数、导热系数、弹性模量和电致伸缩率等因方向而异,且这种方向性会随应力而变,利用这些特点在制造力敏器件上有着广泛的应用前景

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