无极分子电介质

无极分子定义

所谓电介质，就是通常所说的由大量电中性的分子组成的绝缘体。

在静电场中平衡时：

1.内部电场强度不为零；

2.电介质表面出现极化电荷。

电介质出现极化电荷的现象，称为电介质极化。

若把电介质放入静电场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下，在原子范围内作微观的相对位移。在外电场中电介质要受到电场的影响，同时也影响外电场。

无极分子分类

电介质可分为无极分子和有极分子。

分子的正负电荷中心在无电场时是重合的，没有固定的电偶极矩， 如氢气（H₂）、高氯酸（HCl₄），二氧化碳（CO₂），氮气（N₂），氧气（O₂）、甲烷（CH₄）、聚丙乙烯、石蜡等。

有极分子：分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固定的电偶极矩， 如H₂O、HCl、 CO、SO₂、环氧树脂、陶瓷等。

有极分子的等效电偶极矩：

整个电介质可以看成是无数的点偶极子的聚集体。虽然每个分子的等效点偶极矩不为零，但不管从电介质整体来看，还是从电解质的某一小体积来看，电解质是呈中性的。

无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合。

无极分子的等效电偶极矩：

无极分子电介质整体也是呈中性的。

无极分子无极分子的位移极化

加上外电场后，在电场力作用下电介质分子的正负电荷中心不再重合，形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向。

电介质的两个和外电场强度 相垂直的表面层里，将分别出现正电荷和负电荷。这些电荷不能离开介质，也不能在电介质中自由移动，我们称之为极化电荷。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。

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。

无极分子有极分子的取向极化

无外电场时，有极分子电偶极矩取向不同，整个介质不带电。

在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。

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。

一般来说，分子在取向极化的同时还会产生位移极化，但是，对于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，所以有极分子的极化机理是取向极化。

上面从分子的结构出发，说明了两类不同的电介质的极化过程，这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。

组成物质的分子可分为有极分子和无极分子。有极分子中，正负电荷的“中心”不集中在一点，因此形成一对距离很近的等值异号电荷所构成的等效电偶极子，其固有的电偶极矩为p=ql，电偶极子所产生的电场完全由它们的电偶极矩p决定。电偶极子在外电场中所受到的作用力也决定于它的电偶极矩。无极分子中，正负电荷的“中心”集中在一点，因此，分子的电偶极矩为零，对外也不产生电场。在有外电场的情况下，无论是有极分子或是无极分子，都会产生电极化现象，并存在电偶极矩之间的相互作用力。

对无极分子及惰性气体而言，原子结晶体的结合力为共价键，共价键是决定物质分子化学性质的主要因素。分子晶体的结合力是范德瓦耳斯力，对无极分子来说就是色散力，按照伦敦提出的范德瓦耳斯力的量子理论，无极分子的电子云分布是球形对称的，固有电矩为零。因此，它们之间的相互作用能亦为零。这徉无极分子之间似乎就不存在什么作用，但实际不然，例如室温下漠是液体，碘、蔡是固体，H₂、0₂、N₂等无极分子在低温下也会被液化或固化，这些物质能维持某种聚集状态，说明无极分子之间存在着一种相互作用力，这种力就是色散力。

虽然无极分子电子云是球形对称分布，不显示出固有电矩，这不过表示在原子核外的四周出现电子的概率相等，即在某段时间内,电偶极矩的统计平均值等于零。但由于每个分子中的电子不断运动和原子核的不断振动，经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移，使分子的正、负电荷“中心”暂时不重合，产生瞬时偶极矩，而且两个瞬时偶极矩必然是采取异极相邻的状态，这些瞬时偶极矩可以相互作用，相互极化而产生吸引力，这种吸引力如果用带电粒子的线谐振子代表瞬时偶极矩,用量子力学可以证明：

1)两振子无相互作用时，即当两个谐振子平衡点(正电荷所处位置)之间的距离

2)两振子有相互作用时，系统的能量为

比较1)、2)式可以看出，两振子相互作用后,能量降低了，降低的数值为：

其中a为极化系数,，h为普朗克常数，v₀为振子的振动频率。两振子才能相互作用，表现出它们之间的吸引力。因为它与v₀有关，故称为色散力。无极性物质分子之间正是由于色散力的作用才能凝聚为液体，凝固为固体。因此，色散力是决定无极性分子物质物理性质的主要因素。

从上面分析中知道，无论在哪种情况下，由于无极分子瞬时偶极矩的产生，它所具有的电势能、排斥能都大于吸引能按照能量最小原理，即原子中每一个电子都有一个趋势，占据能量最低的能级，当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，原子即处于稳定状态。因为能量最小原理具有普遍意义，当原子与原子、离子与离子、分子与分子结合时，同样遵循这一原理，所以，分子具有的吸引能(W)的概率大于它所具有的排斥能的概率。正因为无极分子之间具有最小的吸引能，即最小结合能，所以无极分子可以结合成分子晶体。

根据电介质中束缚电荷的分布特征，可将组成电介质的分子分为无极分子和有极分子两类。无极分子是指电介质内部的束缚电荷分布对称．正电荷与负电荷的中心重合，对外产生的合成电场为0，对外不显电特性的分子；有极分子是指其内部束缚电荷分布不对称，正电荷与负电荷的中心不重合，本身构成一个电偶极矩(简称电矩)的分子，或称为电偶极子。

无外加电场时，无极分子电介质中的分子没有电矩。有外加电场时，每个无极分子在外电场作用下使得正、负电荷的中心被拉开微小的距离，电荷的中心产生位移，形成了一个电偶极子。产生一个电矩，电矩的方向与外电场的方向平行。外电场越强，分子中电荷的中心位移越大．电介质中分子电矩的矢量和也越大。无极分子电介质的这种特性称为位移极化。

无外加电场时，有极分子电介质中的分子具有一个固有电矩。但是由于电介质内部分子的无规则热运动，使得每个具有电矩的极性分子分布无规则，因此电介质中所有分子电矩的矢量和为0，对外产生的合成电场为0，对外也不显电特性。有外加电场时．每个有极分子的电矩都受到一个外电场力矩作用．使得有极分子的电矩在一定程度上转向外电场方向．最终使得电介质中分子电矩的矢量和不等于0。外电场越强，分子电矩排列越整齐，电介质中分子电矩的矢量和也越大。有极分子电介质的这种特性称为取向极化。外加电场作用下．电介质中无极分子的束缚电荷发生位移产生的位移极化，以及有极分子的固有电矩的取向趋于电场方向而产生的取向极化统称为电介质的极化。

电介质的极化使得电介质内分子的正负电荷发生位移或取向变化，电介质内部出现许多按外电场方向排列的电偶极子，这些电偶极子改变了整个电介质原来的电场分布。在电介质内部可能出现净余的电荷分布，同时在电介质的表面上有电荷分布，这种电介质表面上的电荷称为极化电荷。极化电荷与导体中的自由电荷不同，不能自由移动，因此也称为束缚电荷。但是极化电荷也是电荷，它与自由电荷一样是产生电场的源，极化电荷对原电场有影响，会引起整个电介质电场的变化。