1．介质的电结构

电介质是电阻率很大、导电能力很差的物质，其主要特征在于它的原子或分子中的电子与原子核的结合力很强，电子处于束缚状态。在一般条件下，电介质内部能作宏观运动的电子极少，因而可以把它看做理想的绝缘体。当电介质处在电场中时，在电介质中，不论是原子中的电子，还是分子中的离子，或是晶体点阵上的带电粒子，在电场的作用下都会在原子大小的范围内移动，当达到静电平衡时，在电介质表面层或在体内会出现极化电荷。
    尽管在分子中带正电的原子核和分布在核外的电子系都在作复杂的运动，但是在研究 。电介质的静电特性时，我们可以设想核内的正电荷和核外电子系的负电荷在空间有稳定的分布，当原子结合成分子时，分子中的正负电荷各有自己的“电荷中心”，它们可能不重合。例如氯化氢分子(HCl)在形成过程中，氢原子失去一个电子成为H⁺，而氯原子取得一个电子成为Cl^-，然后H⁺和Cl^-相互吸引而构成HCl分子。因此HCl分子中正电荷和负电荷的中心不相重合，这一对等值而异号的点电荷系等效于一个电偶极子，它的电偶极矩的方向由Cl原子指向H原子。凡属于这种类型的分子叫做有极分子(图7-31)，例如氨()、水蒸气()、一氧化碳(CO)等分子都是有极分子。

图 7-31 有极分子及其电偶极矩

设有极分子的正电荷中心和负电荷中心之间的距离为l，分子中全部正电荷或负电荷的总电荷量为q，则有极分子的等效电偶极矩。整块电介质可以看做是无数个电偶极子的聚集体(图7-32)，虽然每一个分子的等效电偶极矩不为零，但由于分子的无规则热运动，各个分子的电偶极矩的方向是杂乱无章地排列的，所以不论从电介质的整体来看，还是从电介质中的某一小体积(其中包含有大量的分子)来看，其中各个分子电偶极矩的矢量和平均说来等于零，电介质是呈电中性的。
    另有一类电介质，其分子中各原子核外的价电子为几个原子所共有，即价电子是在几个原子核的联合电场中运动。例如，氢分子中有二个价电子对称地绕二个氢原子核运动。因此，其正、负电荷的中心重合在一起，它的等效电偶极矩等于零，凡属于这种类型的分子叫做无极分子 (图7-33)。例如氦(He)、氮()、甲烷()等分子是无极分子。由于每个分子的等效电偶极矩，电介质整体也是呈电中性的。

图 7-32 由有极子组成的电介质，总的电偶极矩矢量和等于零

图 7-33 无极分子

基于有极分子和无极分子的电结构不同，它们在外电场中所受到的作用也不相同，下面将分别讨论。

2. 电介质的极化

（1）无极分子电介质的位移极化

当无极分子电介质处在外电场中时，在电场力作用下分子中的正、负电荷中心将发生相对位移，形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩的方向都沿着电场的方向［图7-34(b)］。在电介质内部，这些电偶极子的排列如图7-34(c)所示。由于相邻电偶极子的正负电荷相互靠近，如果电介质是均匀的，则在它内部仍然保持电中性，但是在电介质的两个和外电场强度相垂直的表面层里(厚度为分子等效电偶极矩的轴长ｌ)，将分别出现正电荷和负电荷［图7-34(c)］。 这些电荷不能离开电介质，也不能在电介质中自由移

动，我们称之为极化电荷或束缚电荷（把在电场作用下能移动一宏观距离的电荷统称为自由电荷）。这种在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象叫做电介质的极化。分子的电偶极矩的大小与电场强度成正比，外电场愈强，每个分子的正、负电荷中心之间的相对位移愈大，分子的电偶极矩也愈大，电介质两表面上出现的极化电荷也愈多，被极化的程度愈高。当外电场撤去后，正、负电荷的中心又重合在一起[，图7-34(ａ)]，电介质表面上的极化电荷也随之消失。由于无极分子的极化在于正、负电荷中心的相对位移，所以常叫做位移极化。

电介质的位移极化

图 7-34 无极分子极化示意图

图 7-35 有极分子的极化示意图

（2）有极分子电介质的取向极化
    对于有极分子电介质来说，每个分子本来就等效为一个电偶极子，它在外电场的作用下，将受到力矩的作用，使分子的电偶极矩转向电场的方向［图7-35(b)］，这样，宏观上看，在电介质与外电场垂直的两表面上也会出现极化电荷［图7-35(c)］。当外电场撤去后，由于分子无规热运动和分子间的相互碰撞都会破坏分子偶极矩沿电场方向的取向排列，使之回到沿各个方向的均匀分布［图7-35(ａ)］，表面的极化电荷也随之消失。可见，有极分子电介质的极化程度取决于外电场的强弱和电介质的温度，外电场愈强且温度愈低，分子电偶极矩沿电场取向排列的概率也愈大。有极分子的极化就是等效电偶极子转向外电场的方向，所以叫做取向极化。一般说来，分子在取向极化的同时还会产生位移极化，但是，对有极分子电介质来说，在静电场作用下，取向极化的效应比位移极化的效应强得多，因而其主要的极化机理是取向极化。

当前广为应用的家用微波炉就是介质分子（水分子）在高频电场（2450MHz）中反复极化的一个实际应用。水分子作为一个有极分子，其电偶极子在电场力矩的作用下，力求转向与外电场方向一致排列。如果电场方向交替变化，水分子的电偶极矩也力求跟随电场方向反复转动。在这个过程中水分子作高频振动，引起快速摩擦而产生热量。当微波频率为2450MHz时水分子能极大地吸收微波的电磁能量，达到加热、煮熟食物的目的。图7-36是微波炉的结构和水分子反复极化的示意图。微波在金属面上反射，却很容易穿透空气、玻璃、塑料等物质，且极大地被食物中的水、油、糖所吸收。

图 7-36 微波炉的结构原理图

电介质的取向极化

3. 电极化强度

上面从分子的电结构出发说明了两类电介质极化的微观过程虽然不同，但宏观的效果却是相同的，都是在电介质的两个相对表面上出现了异号的极化电荷，在电介质内部有沿电场方向的电偶极矩。因此下面从宏观上描述电介质的极化现象时，就不分两类电介质来讨论了。
    在电介质内任取一物理无限小的体积元ΔV(但其中仍有大量的分子)，当没有外电场时，这体积元中所有分子的电偶极矩的矢量和等于零。但是，在外电场的影响下，由于电介质的极化，将不等于零。外电场愈强，被极化的程度愈大，的值也愈大。因此我们取单位体积内分子电偶极矩的矢量和，即

(7-53)

作为量度电介质极化程度的基本物理量，称为该点(ΔV 所包围的一点)的电极化强度(矢量)。在国际单位制中，电极化强度的单位是C／ｍ²。

4. 电极化强度与极化电荷的关系

极化电荷是由于电介质极化产生的，因此电极化强度与极化电荷之间必定存在一定的关系。对于均匀电介质，其极化电荷只集中在表面层里或在两种不同的界面层里。电介质极化后产生的一切宏观效应就是通过这些电荷来体现的。下面我们就来研究均匀电介质极化电荷面密度与电极化强度之间的关系。
    设有一厚为l,表面积为S的电介质薄片（如图7-37）放置在一均匀电场中，那么薄片两表面产生了极化电荷，薄片的电极化强度平行于电场强度。薄片总的电偶极矩是电极化强度的大小与薄片体积的乘积，这相当于薄片表面的极化电荷q’与薄片两表面正负电荷分开的距离l的乘积,即

        
    因此，在薄片表面的极化电荷面密度就等于电极化强度的大小，

        
    这个结果假定了薄片表面与垂直。在一般情况下，设为薄片表面的单位法向矢量，那么

（7-54）

即介质极化所产生的极化电荷面密度等于电极化强度沿介质表面外法线的分量。在薄片侧面，由于的方向与侧面法线垂直，所以侧面上的极化电荷面密度为零。

图 7-37 极化电荷面密度与电极化强度

图 7-38 电介质中的电场强度

5. 介质中的静电场

如前所述，如果把激发外电场的原有电荷系称为自由电荷，并用表示它们所激发的电场强度，而用表示极化过程完成之后极化电荷所激发的电场强度。那么，空间任一点最终的合电场强度应是上述两类电荷所激发电场强度的矢量和，即

(7-55)

由于在电介质中，自由电荷的电场与极化电荷的电场的方向总是相反，所以在电介质中的合电场强度与外电场强度相比显著地削弱了。
    对于大多数常见的电介质，电极化强度与作用于介质内部的合电场强度成正比，而且两者方向相同，在国际单位制中可表示为

(7-56)

式中的比例系数和电介质的性质有关，叫做介质的电极化率，是量纲为1的量。服从式（7-56）极化规律的电介质叫做各向同性的线性电介质。
    为了定量地了解电介质内部电场强度被削弱的情况，我们讨论如下特例。图7-38表示在两块“无限大”极板间充有极化率为的均匀电介质，设两极板上的自由电荷面密度为，电介质表面上的极化电荷面密度为。自由电荷的电场强度大小， 在图中用实线表示； 极化电荷的电场强度大小，在图中用虚线表示。 的方向和的方向相反，因此极板间电介质中的合电场强度的大小为

(7-57)

考虑到极化电荷面密度为，以及式（7-61），极板间电介质中的合电场强度的大小又可写为

(7-58)

说明电介质内部的电场强度E被削弱为外电场强度的。下面我们将看到正是电介质的相对电容率。两极板间的电势差为

        
    设极板的面积为S，则极板上总的电荷量为，按电容器电容的定义，当极板间充满均匀电介质后的电容为

(7-59)

(7-60)

(7-61)

称作电介质的电容率或介电常量，与真空中的电容率有相同的单位。 极化率、相对电容率和电容率都是表征电介质性质的物理量，三者中知道任何一个即可求得其他两个。式(7-60)和式(7-61)虽然是从平行板电容器中均匀电介质的特例引出的，但它们却是普遍适用的。
    应该指出，（7-58）式表明，在均匀电介质充满整个电场的情况下，电介质内部的电场强度E为电场强度的倍，这一结论并不是普遍成立的，但电介质内部的电场强度通常要减弱，这个现象却是普遍成立的。
    最后还必须指出，无论是自由电荷还是极化电荷，从激发电场的角度看，它们所激发的静电场特性应是一样的。所以有电介质存在时，电场强度的环路定理仍然成立，即

        
    式中的E 是所有电荷(自由电荷和极化电荷)所激发的静电场中各点的合电场强度。