电介质

什么是电介质

在电力学中，一般认为电介质是电阻率超过10欧·厘米的物质。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。

电介质与导体、半导体、绝缘体的区别

从物质材料的导电性来说，有导体、半导体和绝缘体3 类划分，但从严格的意义上来说，并没有哪一种物体是不导电的，只是3 类材料的导电机理与导电性有比较大的差异而已。

理想的电介质是不导电的，因而电介质也是电绝缘的。组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，在一般条件下不能相互分离， 因此在电介质内部能作自由运动的电荷( 电子) 极少。实际电介质中存在的微弱导电性是由多种机理构成的，包括杂质缺陷、体内电导、表面电导等。有关电介质微弱导电性机理的详细研究是电介质物理学研究的范畴，应用中通常从宏观上将其归结为电介质的漏电损耗。当外电场超过某个极限值时，电介质会被击穿从而失去绝缘介电性能。

我们知道介质的定义是，当一种物质存在于另一种物质内部时，后者是前者的介质。那么电介质，就可以理解为电场可以存在其中的物质，叫电介质，即在电介质中，电场可以存在其中。而把导体放在电场中，根据静电感应，其内部的电场强度为0V，即相对的说电场不能存在于导体中。在说某种物质是电介质时，我们侧重于电场能存在其中，侧重于电场方面的描述，如空气，在一定条件下，空气是电介质，但是我们不能说空气是绝缘体。电介质的概念包含绝缘体，即绝缘体一定是电介质。

绝缘体，与导体相对应，从字面理解，肯定是一种物体，是有型的实体，比如云母、陶瓷、塑壳、橡胶等，侧重于说明某种物体内部没有自由电荷（只有束缚电荷），即在有电场的情况下，物体内没有电荷流动，此时我们称该物体为绝缘体。

电介质极化

电介质极化是指外电场作用下，电介质显示电性的现象。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。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。

不同电介质的极化程度是不一样的。为了分析电介质极化的宏观效应，常引入极化强度P这一物理量来表征电介质的极化特性。极化强度是一个矢量，定义单位体积内电偶极子电矩的矢量和为极化强度。

电介质的极化使得电介质内分子的正负电荷发生位移或取向变化，电介质内部出现许多按外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子改变了整个电介质原来的电场分布。在电介质内部可能出现净余的电荷分布，同时在电介质的表面上有电荷分布，这种电介质表面上的电荷称为极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，不能自由移动，因此也称为束缚电荷。但是极化电荷也是电荷，它与自由电荷一样是产生电场的源，极化电荷对原电场有影响，会引起整个电介质电场的变化。

电介质强度与电气绝缘性

作为电气产品安全的一个重要组成部分，电介质强度是考核电气绝缘的一个重要指标，是考虑当外界电流出现高压渗入的情况下仍能保证电路对地的良好绝缘。它是通过对设备施加一个高于其额定值的电压并维持一定时间来判定设备的绝缘材料和空间距离是否符合要求，即是利用高电压的手段来检验电气绝缘结构中是否存在薄弱环节和缺陷。

电介质强度试验是检查绝缘结构和绝缘材料在一定的电场强度下是否发生绝缘击穿，而在具体试验的实施中，过流分断装置的动作便成了判定的依据，这个动作电流就是漏电流。电介质强度试验是在交货及大修时进行。试验时应断开供电电源。

电介质的特殊效应

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。这些特殊效应包括：

①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。

②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。

③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。

④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。

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