什麼是電介質?

2021-01-15 物理小識


電介質就是絕緣體,例如空氣、雲母、陶瓷、玻璃紙、塑料、油等都是電介質。


當一個平行板電容器的兩極板間插入一塊電介質時,其電容將增大。電容的增大多少與所插入的電介質的材料有關。電容器極板間充滿某種電介質時電容增大的倍數叫做這種電介質的相對介電常量。用符號εr表示,εr=C/C0,C0表示極板間為真空時電容器的電容、C表示兩極間充滿某種電介質時的電容。相對介電常量是一個純數,它與真空介電常量的乘積叫做電介質的介電常量,用符號ε表示,即ε=εr·ε0,ε0是真空介電常量。各種電介質都有一定的絕緣強度,當電介質中的電場強度超過此值時,電介質就失去絕緣性質,稱為介質被「擊穿」。各種電介質絕緣強度比空氣大,因此,電容器充以其他電介質時與空氣相比。不僅提高了電容,也提高了耐壓性能。


在電容器的兩板之間充以電介質會使電容增大,為什麼會產生這種現象呢?下面我們來討論這個問題。


電介質都由分子組成,電介質分子中帶負電的電子被帶正電的原子核束縛在核的周圍運動,分子中這些正負電荷可看作分別集中在兩個點上一樣,這兩個點分別稱為「正電荷的重心」和「負電荷的重心」。


在有些電介質的分子中正、負電荷的「重心」重合在一起,這種分子叫做無極分子(如圖1)。在外電場作用下,分子中正,負電荷都要受到電場力作用,從而使正、負電荷「重心」發生微小的相對位移,結果分子沿電場方向出現極性(如圖2)。電介質中大量分子在外電場作用下,沿電場方向出現極性,結果在電介質中垂直於電場強度E的兩個相對表面上就出現了符號相反、電量相等的束縛電荷,這種現象叫做電介質的極化。



另有一類電介質,它的分子中原來正、負電荷的重心就不重合,而有微小的距離,即原來分子已有極性,叫做有極分子(如圖3)。無外電場作用時,由於熱運動它們是無規則地排列的,當有外電場作用時,這些有極分子在電場力作用下,趨向於按極性沿電場方向排列(如圖4),結果也在垂直於場強E的介質兩個相對表面上出現等量異號的電荷(見圖5)。



兩類電介質極化過程雖然不一樣,但結果都是在電介質的相對兩個表面上出現了等量異號電荷,這些電荷是由分子極化而形成的,它們還是被束縛在分子的範圍內,不能在電介質裡自由運動。所以把這些因電介質極化而出現在介質表面上的電荷稱為束縛電荷。



把電介質放入電容器的兩極板之間,則在兩極板之間的電場E0作用下,電介質被極化,兩表面上出現束縛電荷(如圖6)。束縛電荷在電介質內部也要建立起一個電場E′,這個電場的方向跟外電場方向相反,但強度小於外電場,由於在電介質內部的合場強是這兩個場強的矢量和,因此合場強的方向跟外電場方向相同,強度小於外電場。隨著兩板間電場減弱,兩板間電勢差也相應地減小,因兩板上電荷不變,結果使電容器的電容增大。各種不同的電介質放入同一個電容器的電場中,產生束縛電荷的多少是不同的,它們削弱原始電場的程度亦各不相同,所以不同的電介質其相對介電常量不同。


從極化過程可以看到,電介質分子中正、負電荷在外電場中受電場力的作用有被分離的趨勢。如果外電場足夠強大,有可能使一些電子在電場力作用下脫離原子核束縛而成為自由電子,這些自由電子在外電場作用下又獲得加速,具有很大的動能。它們在遇到其它分子時。可能使被碰撞的分子又釋放出電子來,這種連續反應使電介質中的自由電子愈來愈多,可使介質失去絕緣性能成為導體,這種情況叫做電介質的「擊穿」。各種電介質都有一定的擊穿場強又稱絕緣場強。電介質中的場強超過擊穿場強會引起介質中出現大量自由電子,導致流過介質的電流急劇增加,介質溫度也迅速上升,最後介質被燒壞。


因為電勢差和場強之間有一定的聯繫,加在電容器兩板上一定的電壓,在兩板之間電介質中就產生一定的場強,當電容器兩板上電壓達到某一數值,使電介質中場強超過它的絕緣強度時,電介質就要擊穿,電容器就會損壞。因此在實用上,各種電容器都有一個耐壓值,使用時工作電壓不超過其耐壓值。


有些電介質,象石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體在外界機械力的作用下也會產生極化現象。例如,從石英晶體中按一定方向切割一片晶體切片,在切片兩表面加上壓力時切片的兩表面上會產生異號電荷。如果加上的壓力變為拉力,則表面上產生的電荷極性反轉。反過來,若在切片兩表面上加上電壓,則切片的幾何尺寸將會發生變化。如果加上交變電壓,將使切片發生機械振動。


這種機械壓力使晶體表面產生電荷,在晶體表面加上電壓會使晶體幾何尺寸變化的現象叫做壓電效應。例如我們常看到的電唱機的拾音器就是利用壓電效應原理製成的。拾音器頭上有一片酒石酸鉀鈉晶片,唱針在唱片的刻槽裡走動時,唱針的振動使晶片產生振動,從而在晶體兩表面上產生隨音頻變化的交變電壓,將此交變電壓送到擴音機裡放大後就可以在揚聲器裡放出音樂來。

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