電介質(zhì)的含義及電介質(zhì)壓電、鐵電、熱電、電光等效應(yīng)

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(chǎng)作用下， 這些電荷也只能在微觀范圍內(nèi)移動(dòng)， 產(chǎn)生極化。 在靜電場(chǎng)中， 電介質(zhì)內(nèi)部可以存在電場(chǎng)， 這是電介質(zhì)與導(dǎo)體的基本區(qū)別。電介質(zhì)是以極化方式傳遞、儲(chǔ)存或記錄外電場(chǎng)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(lái)自極性晶體或分子的自發(fā)極化、也可以來(lái)自電場(chǎng)的誘導(dǎo)作用。凡在外電場(chǎng)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(guò)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(yīng)包括：

①壓電效應(yīng)

一些晶體因受外力而產(chǎn)生形變時(shí)，會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，在相對(duì)兩面上形成異號(hào)束縛電荷，稱為壓電效應(yīng)。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(dǎo)體和壓電陶瓷等。壓電晶體的機(jī)械振動(dòng)可轉(zhuǎn)化為電振動(dòng)，常用來(lái)制造晶體振蕩器，其突出優(yōu)點(diǎn)是振蕩頻率的高度穩(wěn)定性，無(wú)線電技術(shù)中可用來(lái)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(cè)量各種情形下的壓力、振動(dòng)和加速度等 。

②電致伸縮

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

③駐極體

除去外電場(chǎng)或外加機(jī)械作用后，仍能長(zhǎng)時(shí)間保持極化狀態(tài)的電介質(zhì)稱為駐極體。駐極體同時(shí)具有壓電效應(yīng)和熱電效應(yīng)。技術(shù)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(qiáng)電場(chǎng)。駐極體能存儲(chǔ)電荷的性能已被用于靜電攝影術(shù)和吸附氣體中微小顆粒的氣體過(guò)濾器? 。

④熱電效應(yīng)

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(fù)兩端表面上本來(lái)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(hào)離子而不表現(xiàn)出帶電性質(zhì)。當(dāng)溫度改變時(shí)，熱電晶體的體積發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致極化強(qiáng)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(lái)，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。經(jīng)人工極化的鐵電體和駐極體都具有熱電效應(yīng)。熱電效應(yīng)已用于紅外線探測(cè)和熱成像技術(shù) 。

⑤電熱效應(yīng)

熱電效應(yīng)的逆效應(yīng)，具有電熱效應(yīng)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(chǎng)改變電熱體的永久極化強(qiáng)度時(shí)，它的溫度會(huì)發(fā)生變化，此稱為電熱效應(yīng)。絕熱去極化可降低溫度，與絕熱去磁法（見磁熱效應(yīng)）一樣可用來(lái)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(yīng)

某些各向同性的透明電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下變成光學(xué)各向異性的效應(yīng) 。

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(gè)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(jí)。同一鐵電疇內(nèi)各個(gè)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(chǎng)作用下各鐵電疇的極化方向趨于一致，極化強(qiáng)度P與電場(chǎng)強(qiáng)度E有非線性關(guān)系。在峰值固定的交變電場(chǎng)反復(fù)作用下，P與E的關(guān)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(dāng)溫度升高到某一臨界值Tc時(shí)，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(shí)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(yīng)變的小區(qū)域，稱為鐵彈疇，同一鐵彈疇內(nèi)的自發(fā)應(yīng)變方向（疇?wèi)B(tài)）相同，任兩個(gè)鐵彈疇的疇?wèi)B(tài)相同或呈鏡面對(duì)稱。外加應(yīng)力可使鐵彈疇從一個(gè)疇?wèi)B(tài)過(guò)渡到另一疇?wèi)B(tài)。外應(yīng)力改變時(shí)，應(yīng)變滯后于應(yīng)力變化，且應(yīng)力與應(yīng)變是非線性關(guān)系。在周期性外應(yīng)力作用下，應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)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(dǎo)率、熱脹系數(shù)、導(dǎo)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(huì)隨應(yīng)力而變，利用這些特點(diǎn)在制造力敏器件上有著廣泛的應(yīng)用前景 。

上述電介質(zhì)不同效應(yīng)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(shù)的支柱之一，電容器、諧振器、濾波器、鐵電存儲(chǔ)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(wú)不依賴各種電介質(zhì)材料、無(wú)不立足于材料不同的極化特性之應(yīng)用。

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