C0
C0
ε0 S d
对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质， 有效电场与外电场的关系为：
r 1
n 0Ee 0E
Ee
r 2
3
E
这样的有效电场称为洛伦兹（Lorentz）有效电场，将其代入εr公式：
r - 1 n 0 r 2 3 0
Q0 Q Q0 Q'
E0
U
U E0 d
U
E' E
Q'
Q C0 0 U
C
Q Q0 Q' Q' C0 U U U
定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的电容量C0的比值为该电介质
的相对介电常数：
r
C C0 0
D D E r E 0
介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值越大，极化能力越强。
常用电介质材料的相对介电常数
真空 1.00000 空气 1.00059 石蜡 2.0~2.5 玻璃 3.80 石英 4.27~4.34 乙醇 26.4 水 80.1
聚乙烯 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
+q 原子核
电子云 -q
E0 0
电子位移极化模型图
E0
电子位移极化产生的感应偶极矩： μe αe Ee
αe 为电子极化率： αe
40 r 3
（电子位移极化率的数量级为10-40 F.m2）
电子极化率与原子半径的立方成正比，电子轨道半径 r 越大，电子离原子核 越远，与原子核之间的吸引力越弱，越容易发生极化。
2. 极化的微观机制
电偶极子：
+q
L
-q
电偶极矩 u qL
将分子等效为电偶极子，根据其电偶极矩 u分子 的不同，分为两类： （1）无极分子：正负电荷重心重合， u分子 0 + + + + + + + + + + + + + + + +


E0+-Fra bibliotek感应偶极矩
位移极化
例如， He、H2、N2、 CO2 、CH4等。
U

S d
Q'
r - 1 0 E
P n 0Ee
εr
Q0 Q ' Q' 1 Q0 Q0
Q0 U
n 0Ee r 1 0E
提高电介质的介电常数：
提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取极化率 大的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。
极性介质 — 组成介质的分子具有极性或正负离子的中心不重合，其本身就具有
固有偶极矩；在没有外电场时，热运动使固有偶极矩混乱取向，偶极矩的矢量和 为零；有外电场时，偶极子沿电场方向取向几率增加，偶极矩的矢量和不再为零， 电介质对外表现出感应宏观偶极矩：取向极化
3. 表面感应电荷和退极化场
由于介质的极化，在介质表面出现符号相反的感应电荷，在介质内形成
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
云母 5
MgSiO3 6.1
金红石（TiO2） 110
钛酸钡 2000
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 104
巨介电常数材料—CaCu3Ti4O12：~105
5. 介质极化强度和极化率
为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 P ，它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和：
称为克 — 莫极化方程，是在采用洛伦兹有效电场的情况下，联系电介质极化 宏观参数与微观参数的关系式。
7. 电介质极化的类型
电子位移极化、离子位移极化、
偶极子转向极化、离子松弛极化、空间电荷极化、自发极化
1）电子位移极化 电介质中的原子、分子和离子等任何粒子，在电场的作用下，粒子中的 电子云相对于原子核发生位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。
第四章
电介质材料
4-1 电介质物理基础知识 4-2 电容器介质材料 4-3 压电材料和热释电材料
4-1 电介质物理基础知识
4-1-1 电介质及其极化
4-1-2 电介质的介质损耗 4-1-3 电介质的电导和击穿
4-1-4 电介质材料的非电性能
电介质材料的四个基本参数：
ζ 介电常数（ε）、损耗角正切（tanδ）、电导率（ ）、抗电强度（ Eb ）
（2）有极分子： 正负电荷重心不重合，u分子 0
+

E0
+ + -
-
固有偶极矩
+ 取向极化
例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。
非极性介质 — 在电场作用下，正负电荷在微观尺度作偏离平衡位置的相对位移，
正负电荷相对位移的方向相反，在相距一定距离之后，产生感应偶极矩；电介质 整体来看，就形成了感应宏观偶极矩：位移极化
4-1-1 电介质及其极化
1. 电介质及极化的定义
导体、半导体：
自由电荷
长程迁移
绝缘体：
束缚电荷
4-1-1 电介质及其极化
1. 电介质及极化的定义
导体、半导体：
自由电荷
长程迁移
绝缘体：
束缚电荷
极化
极化：在电场作用下，在电介质表面出现束缚电荷（极化电荷）的现象。 电介质：以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质。
与外电场方向相反的退极化场。
图1 极化使电介质表面出现感应束缚电荷： 图2 表面感应电荷形成退极化场：
Q'
E0 E0 E0 ：外电场
E'
E
E' ：退极化场 介质中的总场强：E E0 E'
介质的极化能力越强，表面感应电荷越多，退极化场越强。
4、极化能力的表征 ——介电常数
P lim
若介质中的电场是均匀的，则有：

i
V

V 0
单位为：C/m2
V μ 若单位体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为 ，则有：
对于线性极化， μ 与电场强度成正比，有：
P
i


P n0 μ
Ee ：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；
μ E e

：极化粒子的极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。
P n 0Ee
6. 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系
平板型电容器的极片面积为S，极片间距为d，均匀
极化时，整个电介质总的感应偶极矩： μ Q' d 极化强度： Q' d Q' P Sd S S 1 U r 0 r - 1Q 0 r - 1UC 0 d S S S