极化

✍ dations ◷ 2025-04-04 19:08:00 #极化
在经典电磁学里,当给电介质施加一个电场时,由于电介质内部正负电荷的相对位移,会产生电偶极子,这现象称为电极化(英语:electric polarization)。施加的电场可能是外电场,也可能是嵌入电介质内部的自由电荷所产生的电场。因为电极化而产生的电偶极子称为“感应电偶极子”,其电偶极矩称为“感应电偶极矩”。电极化强度又称为“电极化矢量”,定义为电介质内的电偶极矩密度,也就是单位体积的电偶极矩。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。它的国际单位制度量单位是库仑每平方米(coulomb/m2),表示为矢量 P。电极化强度 P 定义为电介质单位体积 V 内的电偶极矩 p 的平均值:可以理解为在材料区域内电偶极子的强度和对齐程度。这个定义很容易推广到解析定义,即电极化就是电偶极矩微元 dp 与体积微元 dV 的比值:这反过来便能导出电极化的物体的电偶极矩的一般表达式:这表明 P-场与磁化强度 M-场是完全类似的:对于由一个外加电场引起的 P 值的计算,必须已知电介质的电极化率 χ(见下文)。束缚电荷是束缚于电介质内部某微观区域的电荷。这微观区域指的是像原子或分子一类的区域。自由电荷是不束缚于电介质内部某微观区域的电荷。电极化会稍微改变物质内部的束缚电荷的位置,虽然这束缚电荷仍旧束缚于原先的微观区域,但这会形成一种不同的电荷密度,称为“束缚电荷密度” ρ b o u n d {displaystyle rho _{bound}} :注意刚才研究的是电偶极子中伸出界面的那部分,原微观区域的束缚电荷符号相反,故有负号。总电荷密度 ρ t o t a l {displaystyle rho _{total}} 是“自由电荷密度” ρ f r e e {displaystyle rho _{free}} 与束缚电荷密度的总和:在电介质的表面,束缚电荷以表面电荷的形式存在,其表面密度称为“面束缚电荷密度” σ b o u n d {displaystyle sigma _{bound}} :其中, n ^ o u t {displaystyle {hat {mathbf {n} }}_{mathrm {out} },} 是从电介质表面往外指的法矢量。假若,电介质内部的电极化强度是均匀的, P {displaystyle mathbf {P} } 是个常数矢量,则 ρ b o u n d {displaystyle rho _{bound}} 等于0,这电介质所有的束缚电荷都是面束缚电荷。假设电极化强度含时间,则束缚电荷密度也含时间,因而产生了“电极化电流密度” J p {displaystyle mathbf {J} _{p}} (A/m2):那么,电介质的总电流密度 J t o t a l {displaystyle mathbf {J} _{total}} 是其中, J f r e e {displaystyle mathbf {J} _{free}} 是“自由电流密度”, J b o u n d {displaystyle mathbf {J} _{bound}} 是“束缚电流密度”, M {displaystyle mathbf {M} } 是磁化强度。“自由电流”是由外处进来的电流,不是由电介质的束缚电荷所构成的电流。“束缚电流”是由电介质束缚电荷产生的磁偶极子所构成的电流,一个原子尺寸的现象。电极化强度 P {displaystyle mathbf {P} } 、电场 E {displaystyle mathbf {E} } 、电势移 D {displaystyle mathbf {D} } ,这三个矢量的关系式为一个定义式:其中, ϵ 0 {displaystyle epsilon _{0}} 是电常数。对于各向同性、线性电介质,电极化强度 P {displaystyle mathbf {P} } 和电场 E {displaystyle mathbf {E} } 的比例是电极化率 χ e {displaystyle chi _{e}} :所以,电势移与电场成正比:其中, ε {displaystyle varepsilon } 是电容率。电极化强度 P {displaystyle mathbf {P} } 、电场 E {displaystyle mathbf {E} } 、电势移 D {displaystyle mathbf {D} } ,这三个矢量的方向都一样。另外,假设这电介质具有均匀性,则电容率 ϵ {displaystyle epsilon } 是常数:对于各向异性、线性电介质,电极化强度和电场的方向不一定一样。电极化强度的第 i {displaystyle i} 个分量与电场的第 j {displaystyle j} 个分量的关系式为其中, χ {displaystyle chi } 是电介质的电极化率张量。例如,晶体光学(crystal optics)就会研究到很多各向异性电介质晶体。电磁学所讲述的物理量大多都是巨观的平均值,像电场平均值、偶极子密度平均值、电极化强度平均值等等,都是取于一个超大于原子尺寸的区域。只有这样,科学家才能够研究一个电介质的连续近似。而当研究微观问题时,对于在电介质内的单独粒子,其极化性跟电极化率平均值、电极化强度平均值的关系,可以用克劳修斯-莫索提方程来表达。假若电极化强度和电场不呈线性正比,则称这电介质为非线性电介质。非线性光学可以用来描述这种电介质的性质。假设电场 E {displaystyle mathbf {E} } 足够地微弱,不存在任何永久电偶极子,则电极化强度 P {displaystyle mathbf {P} } 可以令人相当满意地以泰勒级数近似为其中, χ ( 1 ) {displaystyle chi ^{(1)}} 是线性电极化率, χ ( 2 ) {displaystyle chi ^{(2)}} 给出波克斯效应(Pockels effect), χ ( 3 ) {displaystyle chi ^{(3)}} 给出克尔效应(Kerr effect)。对于铁电材料,因为迟滞现象, P {displaystyle mathbf {P} } 与 E {displaystyle mathbf {E} } 之间,不存在一一对应关系。

相关

  • 深层生态学深层生态学一词由挪威哲学家阿恩·内斯(Arne Næss)在1973年于一场第三世界未来发展研讨会中提出。后经德韦尔(BillDeval)、塞申斯(GeorgeSessions)、福克斯等人的努力而发展
  • 邮政美国邮票是指在美国发行的邮票。美国邮票可以分为普通邮票、纪念邮票、航空邮票三种类型。美国的第一套普通邮票发行于1847年,当时面值为5美分和10美分。未使用的1847年普通
  • 性别认同性别认同(英语:Gender identity)是个人对自己的社会性别的亲身经历。性别认同可能与出生时的性别指定相关(即顺性别),也可能与其不同(即多元性别)。所有社会都有一套性别类别,可以作
  • 发明发明是一种独特的、创新的有形或无形物,或是指其开发的过程。可以是指对机械、装置、产品、概念、制度的创新或改进。一个社会经常问的问题是:“什么情况导致发明的产生?”基本
  • 手语翻译员伴读手语翻译员伴读是指聋生在主流学校上课时有专属手语翻译员,老师在课堂上用口语讲解,聋生一边辨识老师嘴型,一边有手语翻译员在旁边用手语说明。
  • 玻色-爱因斯坦凝聚玻色–爱因斯坦凝聚(Bose–Einstein condensate)是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态(物态)。1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗
  • 氢可酮氢可酮(英语:Hydrocodone)是一种半合成自可待因(一种发现于罂粟中的鸦片类生物碱)的鸦片类镇痛药。口服氢可酮可以镇痛和止咳,通常也用来缓解中至重度疼痛。氢可酮也可以与对乙酰
  • 气炸锅气炸锅(英语:Air fryer)为一种电子炊具,是对流恒温烤箱(英语:Convection oven)的缩小版。原始专利由Turbochef Technologies于2005年申请,主要针对大型连锁酒店和饮食店。2010年,飞利
  • 自由引导人民《自由领导人民》(法语:La Liberté guidant le peuple)是法国浪漫主义画家欧仁·德拉克洛瓦(Eugène Delacroix)为纪念1830年法国七月革命的作品。此画最早在1831年的巴黎沙龙(Sa
  • 贸易保护主义贸易保护主义,通常简称保护主义(英语:Protectionism),是一种为了保护本国产业免受国外竞争压力而对进口产品设定极高关税、限定进口配额或其它减少进口额的经济政策。它与自由贸