電介質(zhì)的含義及電介質(zhì)壓電、鐵電、熱電、電光等效應

電介質(zhì)的含義

電介質(zhì)是能夠被電極化的絕緣體。電介質(zhì)的帶電粒子是被原子、 分子的內(nèi)力或分子間的力緊密束縛著， 因此這些粒子的電荷為束縛電荷。 在外電場作用下， 這些電荷也只能在微觀范圍內(nèi)移動， 產(chǎn)生極化。 在靜電場中， 電介質(zhì)內(nèi)部可以存在電場， 這是電介質(zhì)與導體的基本區(qū)別。電介質(zhì)是以極化方式傳遞、儲存或記錄外電場作用和影響的物質(zhì)。顯然，電介質(zhì)中起主要作用的乃是是束縛電荷而非自由電荷。極化可以來自極性晶體或分子的自發(fā)極化、也可以來自電場的誘導作用。凡在外電場作用下產(chǎn)生宏觀上不等于零的電偶極矩，因而形成宏觀束縛電荷的現(xiàn)象稱為電極化，能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)統(tǒng)稱為電介質(zhì)。

電介質(zhì)包括氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)等范圍廣泛的物質(zhì)，也包括真空。固態(tài)電介質(zhì)包括晶態(tài)電介質(zhì)和非晶態(tài)電介質(zhì)兩大類，后者包括玻璃、樹脂和高分子聚合物等，是良好的絕緣材料。電介質(zhì)的電阻率一般都很高，被稱為絕緣體。有些電介質(zhì)的電阻率并不很高，不能稱為絕緣體，但由于能發(fā)生極化過程，也歸入電介質(zhì)。

電工中常用電介質(zhì)有：氣體電介質(zhì)有空氣、氫氣、六氟化硫(SF6)，液體電介質(zhì)有變壓器油、石油、純水，固體電介質(zhì)有云母、瓷、橡膠、紙、聚苯乙烯。

電介質(zhì)特殊效應包括：

①壓電效應

一些晶體因受外力而產(chǎn)生形變時，會發(fā)生極化現(xiàn)象，在相對兩面上形成異號束縛電荷，稱為壓電效應。壓電晶體種類很多，常見的有石英、酒石酸鉀鈉（羅謝耳鹽）、磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、鈦酸鋇，以及砷化鎵、硫化鋅等半導體和壓電陶瓷等。壓電晶體的機械振動可轉(zhuǎn)化為電振動，常用來制造晶體振蕩器，其突出優(yōu)點是振蕩頻率的高度穩(wěn)定性，無線電技術中可用來穩(wěn)定高頻振蕩的頻率，這種振蕩器已廣泛用于石英鐘。壓電晶體還普遍用于話筒、電唱頭等電聲器件中。利用壓電現(xiàn)象可測量各種情形下的壓力、振動和加速度等 。

②電致伸縮

是壓電效應的逆效應。一些晶體在電場作用下會發(fā)生伸長或縮短形變，稱電致伸縮。利用電致伸縮效應可將電振動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，常用于產(chǎn)生超聲波的換能器，以及耳機和高音喇叭等 。

③駐極體

除去外電場或外加機械作用后，仍能長時間保持極化狀態(tài)的電介質(zhì)稱為駐極體。駐極體同時具有壓電效應和熱電效應。技術上大多采用極性高分子聚合物作為駐極體材料。駐極體能產(chǎn)生30千伏/厘米的強電場。駐極體能存儲電荷的性能已被用于靜電攝影術和吸附氣體中微小顆粒的氣體過濾器? 。

④熱電效應

具有自發(fā)極化造成的宏觀電偶極矩，并具有較大熱脹系數(shù)的晶體稱為熱電晶體。處于自發(fā)極化狀態(tài)的熱電晶體，在電偶極矩正、負兩端表面上本來存在著由極化形成的束縛電荷，但由于吸附了空氣中的異號離子而不表現(xiàn)出帶電性質(zhì)。當溫度改變時，熱電晶體的體積發(fā)生顯著變化，從而導致極化強度的明顯改變，破壞了表面的電中性，表面所吸附的多余電荷將被釋放出來，此現(xiàn)象稱為熱電效應。經(jīng)人工極化的鐵電體和駐極體都具有熱電效應。熱電效應已用于紅外線探測和熱成像技術 。

⑤電熱效應

熱電效應的逆效應，具有電熱效應的電介質(zhì)（多為駐極體）稱為電熱體。在絕熱條件下借助于外電場改變電熱體的永久極化強度時，它的溫度會發(fā)生變化，此稱為電熱效應。絕熱去極化可降低溫度，與絕熱去磁法（見磁熱效應）一樣可用來獲得超低溫。常用的電熱材料有鈦酸鍶陶瓷和聚偏氟乙烯（PVF）等駐極體。

⑥電光效應

某些各向同性的透明電介質(zhì)在電場作用下變成光學各向異性的效應 。

⑦鐵電性

在一些電介質(zhì)晶體中存在許多自發(fā)極化的小區(qū)域，每個自發(fā)極化的小區(qū)域稱為鐵電疇，其線度為微米數(shù)量級。同一鐵電疇內(nèi)各個電偶極矩取向相同，不同鐵電疇的自發(fā)極化方向一般不同，因而宏觀上總的電偶極矩為零。在外電場作用下各鐵電疇的極化方向趨于一致，極化強度P與電場強度E有非線性關系。在峰值固定的交變電場反復作用下，P與E的關系曲線類似于磁滯回線（見鐵磁性），稱為電滯回線。以上性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的電介質(zhì)稱鐵電體。當溫度升高到某一臨界值Tc時，鐵電疇互解，鐵電性消失，鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀橂娦噪娊橘|(zhì)，Tc稱為鐵電居里溫度。鐵電體具有很高的電容率。鐵電體必定同時具有壓電性和熱電性。

⑧鐵彈性

一些晶體在其內(nèi)部能形成自發(fā)應變的小區(qū)域，稱為鐵彈疇，同一鐵彈疇內(nèi)的自發(fā)應變方向（疇態(tài)）相同，任兩個鐵彈疇的疇態(tài)相同或呈鏡面對稱。外加應力可使鐵彈疇從一個疇態(tài)過渡到另一疇態(tài)。外應力改變時，應變滯后于應力變化，且應力與應變是非線性關系。在周期性外應力作用下，應變與應力的關系曲線類似于磁滯回線，稱為力滯回線。以上性質(zhì)稱為鐵彈性，具有鐵彈性的電介質(zhì)稱為鐵彈體。鐵彈體的電容率、折射率、電導率、熱脹系數(shù)、導熱系數(shù)、彈性模量和電致伸縮率等因方向而異，且這種方向性會隨應力而變，利用這些特點在制造力敏器件上有著廣泛的應用前景 。

上述電介質(zhì)不同效應為我們提供了豐富多彩的電子元器件，從而構(gòu)筑了現(xiàn)代電子與信息技術的支柱之一，電容器、諧振器、濾波器、鐵電存儲器、起爆器、換能器、壓電變壓器、聲納、超聲振子、速度與加速傳感器、紅外傳感器、微波移相器等眾多電子元件，無不依賴各種電介質(zhì)材料、無不立足于材料不同的極化特性之應用。

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