介電質
編輯在電磁學中,電介質(或介電介質)是一種電絕緣體,可以被施加的電場極化。 當將介電材料置于電場中時,電荷不會像在電導體中那樣流過材料,因為它們沒有可能漂移穿過材料的松散束縛或自由電子,而是移動, 僅略微偏離它們的平均平衡位置,導致介電極化。 由于電介質極化,正電荷沿場方向移動,負電荷沿與場相反的方向移動(例如,如果場平行于正 x 軸移動,則負電荷將向負方向移動 x 方向)。 這會產生一個內部電場,從而降低電介質本身的整體電場。 如果電介質由弱結合的分子組成,這些分子不僅會被極化,還會重新定向,使它們的對稱軸與場對齊。
介電特性的研究涉及材料中電能和磁能的存儲和耗散。 介電質對于解釋電子學、光學、固態物理學和細胞生物物理學中的各種現象很重要。
術語
編輯盡管術語絕緣體意味著低導電性,但電介質通常表示具有高極化率的材料。 后者用稱為相對介電常數的數字表示。 術語絕緣體通常用于表示電氣障礙,而術語電介質用于表示材料的能量存儲能力(通過極化)。 電介質的一個常見示例是電容器金屬板之間的電絕緣材料。 對于給定的電場強度,外加電場引起的電介質極化會增加電容器的表面電荷。
術語電介質是由 William Whewell(來自 dia + electric)應邁克爾法拉第的要求創造的。 完美的電介質是一種電導率為零的材料(參見完美導體無限電導率),因此僅表現出位移電流; 因此它像理想電容器一樣存儲和返回電能。
電敏感性
編輯電介質材料的電敏感性 χe 是衡量它響應電場極化的難易程度的量度。 這反過來又決定了材料的介電常數,從而影響該介質中的許多其他現象,從電容器的電容到光速。
它被定義為將電場 E 與感應電介質極化密度 P 相關聯的比例常數(可以是張量),使得
P = ε 0 χ e E , {displaystyle mathbf {P} =varepsilon _{0}chi _{e}mathbf {E} ,}
其中 ε0 是自由空間的介電常數。
介質的磁化率與其相對介電常數 εr 的關系為
χ e = ε r ? 1. {displaystyle chi _{e} =varepsilon _{r}-1.}
所以在真空的情況下,
χ e = 0。{displaystyle chi _{e} =0.}
色散與因果關系
通常,材料不能響應于施加的場而瞬間極化。
也就是說,極化是先前時間的電場與由 χe(Δt) 給出的時間相關磁化率的卷積。 如果對于 Δt <; 定義 χe(Δt) = 0,則該積分的上限也可以擴展到無窮大。 0. 瞬時響應對應于 Dirac delta 函數磁化率 χe(Δt) = χeδ(Δt)。
在線性系統中采用傅里葉變換并將此關系寫為頻率的函數更為方便。 由于卷積定理,積分變成了一個簡單的乘積,P ( ω ) = ε 0 χ e ( ω ) E ( ω ) 。 {displaystyle mathbf {P} (omega )=varepsilon _{0}chi _{e}(omega )mathbf {E} (omega ).}
磁化率(或等效的介電常數)與頻率有關。 磁化率相對于頻率的變化表征了材料的色散特性。
此外,由于因果關系,極化只能取決于先前時間的電場(即 χe(Δt) = 0,Δt < 0)這一事實,對實數和圖像施加了 Kramers–Kronig 約束。
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