电解质材料和绝缘学习教案

会计学1电解质材料电解质材料(cilio)和绝缘和绝缘第一页，共25页。将电介质置于一平行板电容器中能够以 k 介电常数的比例提升其电容： 当中0是真空电容率， A 为电容器平行板投影重叠的有效面积， d 为两块平行板之间的距离。此情况的发生是由于电场将电介质粒子极化，产生与电容器电场成反向（反平行）的电荷(dinh)群于平行板表面上，电荷(dinh)在平行板间产生一比没有电介质时更弱的电场，从而减少电势。依照相反的想法，这说明了在有电介质的情况下，电势的存在令电容器积存更多电荷(dinh)。第1页/共25页第二页，共25页。Fig 7.1第2页/共25页第三页，共25页。外电场作用下，电介质显示电性的现象。在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷叫做自由电荷；如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚电荷。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因(yunyn)。一般情形下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示电性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出电性,在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷,这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。电介质的极化(j hu)第3页/共25页第四页，共25页。电介质的极化机制之一电子极化:电子极化，是在电场作用下原子核与负电子云之间相对位移，它们的等效中心不再重合而分开一定的距离l形成电偶极矩peel(l由负电中心指向正电(zhngdin)中心,e是电荷量,见电偶极子)。当电场不太强时,电偶极矩pe同有效电场成正比,，pe =eE,式中e称为电子极化率。2220()eeeZ ePZexEEm第4页/共25页第五页，共25页。Fig 7.2第5页/共25页第六页，共25页。Fig 7.3The origin of electronic polarization.(a) A neutral atom in E = 0.(b) Induced dipole moment in a fieldElectron cloudAtomicnucleuspinducedECenter of negativechargexCO第6页/共25页第七页，共25页。在电子极化中，原子的正负电荷中心被分开，也如同连在弹簧上的质量块被拉伸后放开一样，会做简谐运动；同样也存在一个固有振动频率(pnl)，被称为电子极化共振频率(pnl)。见P484例7.12220()eeeZ epZexEEm第7页/共25页第八页，共25页。第8页/共25页第九页，共25页。Fig 7.4103010.1efox1015Hzx10-40F m2110Atomic numberZ100efoHeNeArKrXeRneZ0.99Electronic polarizability and its resonance frequency vs. thenumber of electrons in the atom (Z). The dashed line is the bestfit line.第9页/共25页第十页，共25页。式中 是在电介质体元 dt内分子电矩的矢量和。在国际单位(dnwi)制中，极化强度的单位(dnwi)是cm-2(库仑/米2)。如果电介质内各处极化强度的大小和方向都相同，就称为均匀极化。均匀极化要求电介质也是均匀的。 第10页/共25页第十一页，共25页。极化电荷是由于电介质极化所产生的，因此极化强度与极化电荷之间必定存在某种关系。可以证明，对于均匀(jnyn)极化的情形，极化电荷只出现在电介质的表面上。极化介质表面单位面积的电荷等于极化是两垂直于表面的分量，Pn=P，方向由负极大指向正极大。第11页/共25页第十二页，共25页。Fig 7.5Area = AptotalP-QP+QP(c)-QP+QPBound polarizationcharges on the surfaces(b)d+QE-QV(a)(a) When a dilectric is placed in an electric field, bound polarizationcharges appear on the opposite surfaces. (b) The origin of thesepolarization charges is the polarization of the molecules of themedium. (c) We can represent the whole dielectric in terms of itssurface polarization charges +QPand -QP.第12页/共25页第十三页，共25页。Fig 7.6Polarization charge density on the surface of a polarized medium isrelated to the normal component of the polarization vector.PnPPPolarization chargeson the surface of apolarized mediumExternal field极化(j hu)介质表面单位面积的电荷等于极化(j hu)矢量垂直于表面的分量，Pn=P，方向由负极大指向正极大。第13页/共25页第十四页，共25页。退极化场 电介质在外场中的性质相当于在真空中有适当的束缚电荷体密度分布在其内部。因此可用 和 的分布来代替电介质产生的电场。在外电场 中，介质极化产生的束缚电荷，在其周围无论介质内部还是外部都产生附加电场 称为退极化场。任一点的总场强为：E0E0EEE +QQ退极化场第14页/共25页第十五页，共25页。实验(shyn)表明:EPe0e称为电极化率或极化率 polarizability在各向同性线性电介质中它是一个纯数。EEP0E是自由电荷产生的电场E极化电荷产生的退极化场 depolarization field0EEE是电介质中的总电场强度。0EPn n nPE第15页/共25页第十六页，共25页。SSqqSdE)(100 SSqSdP 定义(dngy)：00defrDEPE 自由电荷束缚电荷根据介质极化和真空中高斯定律 SSSSdPqSdE00011 SSqSdPE00)( 复习大学物理中的概念第16页/共25页第十七页，共25页。00defrDEPE 0eePENpNE 011eerN第17页/共25页第十八页，共25页。局域场和克劳修斯-莫索提方程(fngchng)一个分子的极化性 定义为 其中，P是分子的感应电偶极矩，E是作用于分子的电场。介电质的电极化强度定义为总电偶极矩每单位面积： ；其中，P(r)是电极化强度，r是检验位置，Nj 、Pj 分别是分子 j 的数量每单位面积与电偶极矩。总合介电质内每一种分子的贡献，就可以计算(j sun)出介电质的电极化强度。将极化性的定义式代入，可以得到第18页/共25页第十九页，共25页。当计算这方程式时，必需先知道在分子位置的电场，称为“局域电场” Eloc 。介电质内部的微观电场，从一个(y )位置到另外位置，其变化可能会相当剧烈，在电子或质子附近，电场很大，距离稍微远一点，电场呈平方反比减弱。所以，很难计算这么复杂的电场的物理行为。幸运地是，对于大多数计算，并不需要这么详细的描述。所以，只要选择一个(y )足够大的区域（例如，体积为 V 、内中含有上千个分子的圆球体 ）来计算微观电场 Emic 的平均值，称为“巨观电场” Emac ，就可以足够准确地计算出巨观物理行为：第19页/共25页第二十页，共25页。对于稀薄介电质，分子(fnz)与分子(fnz)之间的距离相隔很远，邻近分子(fnz)的贡献很小，局域电场可以近似为巨观电场Emac ：但对于致密介电质，分子与分子之间的距离相隔很近，邻近分子的贡献很大，必需将邻近分子的贡献 E1 纳入(nr)考虑量：对于(duy)立方晶系结构的晶体或各向同性的介电质，由于高度的对称性，邻近分子的贡献E1 为：103pPEE 第20页/共25页第二十一页，共25页。电极化(j hu)率与极化(j hu)性的关系为： 0eeN031eeeN稀薄(xb)物质一般(ybn)均匀物质第21页/共25页第二十二页，共25页。033eeeN一般均匀(jnyn)物质03(1)2errN克劳修斯-莫索提方程(fngchng)（Clausius-Mossotti equation）表达了线性介电质的极化性和相对电容率之间的关系，是因意大利物理学者莫索提（Ottaviano-Fabrizio Mossotti）和德国物理学者鲁道夫克劳修斯而命名。这方程式也可以更改为表达极化性和折射率之间的关系，此时称为洛伦兹-洛伦茨方程式（Lorentz-Lorenz equation）。极化性是一种微观(wigun)属性，而相对电容率则是介电质内部的一种巨观属性，所以，这方程式连结了介电质关于电极化的微观(wigun)属性与巨观属性。（教材P489例7.2）洛伦兹-洛伦茨方程式第22页/共25页第二十三页，共25页。Fig 7.8(a) Valence electrons in covalent bonds in the absence of an applied field. (b) When an electric field is applied to a covalent solid, the valence electrons in the covalent bonds are shifted very easily with respect to the positive ionic cores. The whole solid becomes polarized due to the collective shift in the negative charge distribution of the valence electrons.7.2 电子极化(j hu)：共价固体第23页/共25页第二十四页，共25页。使共价电子脱离共价键成为自由价电子约需1-2eV，但从单个离子实中成为自由电子却需要(xyo)10eV以上。见P490例7.3第24页/共25页第二十五页，共25页。