电介质

介电质（英语：dielectric）是一种可被电极化的绝缘体。假设将介电质置入外电场，则束缚于其原子或分子的束缚电荷不会流过介电质，只会从原本位置移动微小距离，即正电荷朝着电场方向稍微迁移位置，而负电荷朝着反方向稍微迁移位置。这会造成介电质电极化，从而在介电质内部产生反抗电场，减弱整个介电质内部的电场。假若介电质是由弱键结的分子构成，则这些分子不但会被电极化，也会改变取向，试着将自己的对称轴与电场对齐。介电质通常指的是可被高度电极化的物质。在原子与分子层次，极化性可以用来衡量微观的电极化性质，从极化性可以理论计算出介电质的电极化率和电容率，两个巨观的电极化性质。或者，可以直接从实验测量出介电质的电极化率和电容率。假若置入了具有高电容率的介电质，则平行板电容器的电容会大幅增加，储存于两块金属平行板的正负电荷也会增加。介电质的用途相当广泛。介电质的电传导能力很低，再加上具备有很好的电介质强度（英语：dielectric strength）（dielectric strength）性质，就可以用来制造电绝缘体。另外介电质可被高度电极化，是优良的电容器材料。对于介电性质的研究，涉及了物质内部电能和磁能的储存与耗散。用于解释电子学、光学和固态物理的各种各样现象，这研究极端重要。回应麦可·法拉第的请求，英国科学家威廉·晖巍（William Whewell）命名所有可被电极化的绝缘体为介电质。介电质因响应外电场的施加而极化的程度，可以用电极化率来衡量。从电极化率又可以计算出介电质的电容率。因此，电极化率会影响介电质内各种其它可能发生的现象，像电容器的电容、光波传播于物质内部的光速等等。对于各向同性、线性、均匀的介电质，电极化率 χ e {displaystyle chi _{e}} 定义为其中， E {displaystyle mathbf {E} } 是电场， P {displaystyle mathbf {P} } 是电极化强度， ϵ 0 {displaystyle epsilon _{0}} 是电常数。由于电势移 D {displaystyle mathbf {D} } 定义为所以，电势移与电场成正比：其中， ϵ {displaystyle epsilon } 是电容率。定义相对电容率 ϵ r {displaystyle epsilon _{r}} 为电容率与电常数的比例：那么，介电质的电极化率与相对电容率的关系式为在自由空间里，假若介电质具有各向异性，则电极化率是一个二阶张量。一般而言，物质无法为了要响应一个含时外电场的变化而瞬时地电极化。因此，更广义的表述必须将时间 t {displaystyle t} 纳入考量：那就是，电极化强度是先前时间的电场与含时电极化率 χ e ( Δ t ) {displaystyle chi _{e}(Delta t)} 的折积。假设每当 Δ t = t − t ′ < 0 {displaystyle Delta t=t-t'<0} 时， χ e ( Δ t ) = 0 {displaystyle chi _{e}(Delta t)=0} ，则这积分的上限可以延伸至无穷大：瞬时的响应对应于狄拉克δ函数电极化率 χ e ( Δ t ) = χ e δ ( Δ t ) {displaystyle chi _{e}(Delta t)=chi _{e}delta (Delta t)} 。对于一个线性系统，可以简单地做一个傅里叶变换，将这关系式写为频率 ω {displaystyle omega } 的函数：这结果是折积定理的一个范例。在频率空间，电极化强度与电场成正比，比例为电极化率乘以电常数。从电极化率的频率函数，可以描绘出物质的色散性质。由于因果关系，电极化只能跟先前时间的电场有关（也就是说，每当 Δ t < 0 {displaystyle Delta t<0} 时，设定 χ e ( Δ t ) = 0 {displaystyle chi _{e}(Delta t)=0} ）。这事实迫使电极化率 χ e ( 0 ) {displaystyle chi _{e}(0)} 必须遵守克拉莫-克若尼约束。介电质大致分为两类:55ff：同一种介电质可能会涉及到几种不同的电极化机制，每一种电极化机制都有其主要活动频率，都有其特征的截止频率，超过这截止频率，对应的机制无法跟着电磁波振动，不再能贡献出电极化。对于每一种介电质，电极化机制的截止频率与电极化程度都不相同。如左图所示，按照经典介电质模型，物质内部的每一个原子，都是由带负电荷的电子云和位于电子云中心、带正电荷的原子核所组成。假设将物质置入于外电场，则由于外电场的作用，正电荷会朝着外电场方向迁移位置，而负电荷则会朝着反方向迁移位置。正电荷与负电荷的相对位移会形成电偶极矩，这现象称为“电子极化”（electronic polarization）。由于外电场与电偶极矩的耦合，从而给出介电质的物理行为。像氦气、氖气等等一类的惰性气体最能展示出电子极化性质。假设将外电场关闭，则原子会回返原来状态。这过程所需要的时间称为弛豫时间（relaxation time）。:56-58:68介电质的物理行为是由电场 E {displaystyle mathbf {E} } 与电偶极矩 p {displaystyle mathbf {p} } 之间的关系方程 p = p ( E ) {displaystyle mathbf {p} =mathbf {p} (mathbf {E} )} 给出。从这关系方程，可以预测出许多很有意思的物理现象，例如，折射率、色散、双折射、自聚焦（self-focusing）、谐波产生（harmonic generation）。离子晶体中含有电荷量相等的阴离子和阳离子，并且这两种离子交替排列，整齐有规律，往往呈现出规则的几何外形。比如：氯化钠晶体呈现出立方体的空间构型，每个钠离子周围有上下前后左右共6个最近的等距离的氯离子；每个氯离子周围有上下前后左右共6个最近的等距离的钠离子。在正常状况，假设外电场为零，则巨观电偶极矩为零。但是，假设外电场不为零，则由于正离子会朝着外电场方向迁移位置，而负离子则会朝着反方向迁移位置。正离子与负离子之间的相对位移形成了“离子极化”（ionic polarization），又称为“原子极化”（atomic polarization）巨观电偶极矩不等于零。例如，氯化钠、氯化钾等等。:59:68“取向极化”（orientation polarization）是一种特别的电极化，只出现于极性分子，又称为“二极性极化”（dipolar polarization）。这种电极化是由永久电偶极子的取向改变而产生。例如，氧原子与氢原子之间的非对称键。虽然在外电场为零的状况，每一个单独永久电偶极子仍具有极性。对于介电质内部任意位置，设定以此位置为中心的尺度够大的区域，将其内部所有电偶极矩的总合除以区域的体积，则可得到在这位置的巨观电极化强度。:59-60:68假设施加非零外电场于此介电质，虽然正电荷与负电荷之间的距离，由于跟化学键有关，大致会保持不变，但是，感受到外电场的力矩，电偶极子会旋转，趋向于外电场的方向，从而增加巨观电极化强度。这旋转过程发生的时间尺度与力矩和周围的局域黏滞性有关。这旋转过程不是瞬时的，由于在时间方面的延迟，假设电场的变化频率足够高，介电质会失去响应的能力。另外，电偶极子的旋转运动会造成摩擦和发热。水分子能够微波加热就是应用这效应。处于电场的介电质，其内部的电荷载子可能会迁移一段距离，假若这些电荷载子的迁移运动被阻碍，例如在非均质材料的结构界面，由于电荷累积，会发生“界面极化”（interfacial polarization）现象。很多种陶瓷材料都会发生界面极化现象，特别是当处于高温状况。:60-61上述几种电极化机制并不互相排斥。介电质的总电极化强度是所有可能电极化机制的总合。非均质介电质的总电极化强度 P T {displaystyle mathbf {P} _{T}} 为:61其中， P e {displaystyle mathbf {P} _{e}} 是电子极化强度， P o {displaystyle mathbf {P} _{o}} 是取向极化强度， P a {displaystyle mathbf {P} _{a}} 是原子极化强度， P s {displaystyle mathbf {P} _{s}} 是界面极化强度。均质介电质的总电极化强度 P T {displaystyle mathbf {P} _{T}} 为对于像氦气、氖气一类的非极性介电质，由于没有离子键，对于像氯化钠、氯化钾一类的离子晶体，由于在正常状况，取向极化强度为零，所以由于含时外电场的作用，介电质内部的带电粒子会迁移位置。但是，这动作需要时间来完成。所以，对于外电场的变化，响应的电极化在时间方面必定会有所推迟。这意味着牵涉到的电极化机制密切地跟外电场的频率有关：:81-82：假设缓慢地调高频率，这些极化现象会一个接着一个的消失，电容率的趋势也会越来越低。在频率大于紫外线的频域，电极化率趋向于零，电容率趋向于电常数 ϵ 0 {displaystyle epsilon _{0}} 。因为电容率表现电极化强度与电场之间的关系，假若电极化的响应能力减弱，则电容率也会随之减小。离子导电现象会对介电损耗 ϵ r ″ {displaystyle epsilon _{r}''} 做出有限贡献。这现象时常会发生于湿物质，处于低频率电场的溶剂，其内部的自由离子会出现电解传导效应，这称为“离子导电”（ionic conduction），对介电损耗的影响，以方程表示为 σ / ω ϵ 0 {displaystyle sigma /omega epsilon _{0}} ；其中， σ {displaystyle sigma } 是电导率， ω {displaystyle omega } 是电场频率。使用介电质材料最显著的优点是，能够防止两块分别储存正负电荷的平行板互相发生接触，从而造成短路。更重要的原因是，给定电压 V {displaystyle V} ，高电容率可以促使更多电荷储存于平行板。这可以从电荷量 Q {displaystyle Q} 与电容率的关系式得知：其中， A {displaystyle A} 为电容器平行板的面积， d {displaystyle d} 为两块平行板之间的距离。由于电容 C {displaystyle C} 与电荷量的关系式为给定电压，电容率越高，储存于平行板电荷量也变得越大，电容也会增高。另外，制作电容器的介电质材料必需能够抵抗电离作用。这性质允许电容器能够在更高电压运作，不会过早因为电离作用而出现电流。介电质共振器（orientation polarization）是一种电子元件，能够造成在狭窄频域内的共振，通常这狭窄频域为微波频带。介电质共振器的介电质材料是高电容率与低耗散因子（dissipation factor）的陶瓷。这种共振器时常用为震荡电路的频率参考。无屏蔽介电质共振器可以用为介电质共振器天线（dielectric resonator antenna）。介电质可以是固体，液体，或气体。另外，高真空也是一种有用、无损失的介电质，虽然其相对电容率仅为1。固态介电质被广泛使用于电子工业，是非常优良的绝缘体，例如瓷器、玻璃、大多数种类的塑胶。三种最广泛使用的气态介电质（gaseous dielectric）为空气、氮气与六氟化硫。