【西安交通大學(xué)】【電介質(zhì)物理】【第一章-第九講(偶極子轉(zhuǎn)向極化 )35733

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1、靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)偶極子轉(zhuǎn)向極化偶極子轉(zhuǎn)向極化 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化 不考慮偶極分子間的相互作用，即不考慮偶極子間的相互作用，只考慮受熱運(yùn)動(dòng)的支配，這就是自由偶極子；自由偶極子的聚集相當(dāng)于極性氣體；當(dāng)存在外電場(chǎng)時(shí)，各分子受轉(zhuǎn)矩作用，趨于使它們?nèi)∠蚺c外電場(chǎng)平行，但熱運(yùn)動(dòng)抵抗這種趨勢(shì)，使體系最后達(dá)到一個(gè)新的統(tǒng)計(jì)平衡；自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化具有時(shí)間常數(shù)（稱之偶極子弛豫時(shí)間）并且沿外電場(chǎng)取向的偶極子的平均分量終達(dá)一個(gè)穩(wěn)定正值，所有分子的偶極矩沿電場(chǎng)方向的統(tǒng)計(jì)平均分量：偶極子分子的固有偶極矩 電場(chǎng)與偶極子間的夾角 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化xL(x)熱源A，體系A(chǔ)，處于狀態(tài)r，能量為Wr，接觸后達(dá)

2、到熱平衡，則狀態(tài)r出現(xiàn)的幾率密度：K為波爾茲曼常數(shù)，為波爾茲曼常數(shù)，T為熱源溫度為熱源溫度 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化設(shè)A為一偶極分子，A為除A以外的所有偶極分子組成的熱源，Wr為A偶極分子的總能：動(dòng)能動(dòng)能電勢(shì)能電勢(shì)能C為一個(gè)常數(shù) 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化為幾率密度；表示在勢(shì)能 范圍內(nèi)找到偶極分子A的幾率 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化 設(shè)單位體積中粒子數(shù)為n0，則：為在單位體積中在勢(shì)能 范圍內(nèi)的分子數(shù) 其中自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化單位體積內(nèi)在立體角 偶極分子的偶極矩在電場(chǎng)方向分量 為單位體積內(nèi)偶極分子在電場(chǎng)方向的分量和，其平均值為：自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化令

3、稱稱Langevin函數(shù)函數(shù) 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化L(x)x/3隨著x增大，從零增到1，這是因?yàn)?增大，電場(chǎng)的取向作用壓倒溫度的擾亂作用，使所有偶極子都趨向與外電場(chǎng)平行，達(dá)到飽和 當(dāng)當(dāng) 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化稱偶極子轉(zhuǎn)向極化率與溫度有關(guān)，與溫度成正比，稱偶極子轉(zhuǎn)向極化率與溫度有關(guān)，與溫度成正比，溫度愈高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，轉(zhuǎn)向極化降低溫度愈高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，轉(zhuǎn)向極化降低 自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化一個(gè)典型偶極子 兩個(gè)相距1的電荷 ，外電場(chǎng) ，環(huán)境溫度 郎之萬(wàn)函數(shù)所表示的體系只在原點(diǎn)附近才有物理意義郎之萬(wàn)函數(shù)所表示的體系只在原點(diǎn)附近才有物理意義 非球狀偶極分子的轉(zhuǎn)向極化假設(shè)分子是各向異性，具有一個(gè)對(duì)稱軸，有兩個(gè)

4、極化率分量，a1是平行于長(zhǎng)軸的極化率，a2是沿短軸方向的極化率，固有偶極矩0平行于長(zhǎng)軸，各向異性極化率a=a1-a2，平均極化率 這是偶極分子的電子位移極化，因此偶極分子的極化包括電子位移極化和自由點(diǎn)偶極子轉(zhuǎn)向極化兩部分。非球狀偶極分子的轉(zhuǎn)向極化在電場(chǎng)作用下，單個(gè)橢球偶極分子的偶極矩在電場(chǎng)方向的分量 及其在電場(chǎng)中的勢(shì)能 非球狀偶極分子的轉(zhuǎn)向極化對(duì)于有很多分子組成的電介質(zhì)，求 的平均值令 非球狀偶極分子的轉(zhuǎn)向極化由于非球狀偶極分子的轉(zhuǎn)向極化 的值從1/3變到1，1/3是對(duì)應(yīng)于隨機(jī)取向的分子，1對(duì)應(yīng)于所有分子平行或反平行于電場(chǎng)E的方向，引入一個(gè)量S 當(dāng)當(dāng)隨機(jī)取向；隨機(jī)取向；，完全有序。完全有序。S

5、 S從從0 0變到變到1 1，它表示體系的取向度，稱序參數(shù)。它表示體系的取向度，稱序參數(shù)。非球狀極性分子偶極矩，在電場(chǎng)方向的非球狀極性分子偶極矩，在電場(chǎng)方向的 平均值除線性平均值除線性項(xiàng)外，還有非線性項(xiàng)，三階項(xiàng)的符號(hào)取決于項(xiàng)外，還有非線性項(xiàng)，三階項(xiàng)的符號(hào)取決于b b值。值。若若b b0=0.224 1-4b b-2b b2=0 在很寬的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，在很寬的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨電場(chǎng)增大而線性地增大，直到五階項(xiàng)才開(kāi)始起作用；隨電場(chǎng)增大而線性地增大，直到五階項(xiàng)才開(kāi)始起作用；若若b b 0 ，b b值小，固有偶極矩值小，固有偶極矩m mo起主起主導(dǎo)作用，它對(duì)導(dǎo)作用，它對(duì)具有飽和效應(yīng)，在高場(chǎng)或低溫下，

6、極化具有飽和效應(yīng)，在高場(chǎng)或低溫下，極化趨向飽和，直至偶極子趨向于電場(chǎng)平行為止。趨向飽和，直至偶極子趨向于電場(chǎng)平行為止。若b b 0.224=b b0，1-4b b-2b b2 0 ，b b值大，電子位移極化率各向異性，a 起主導(dǎo)作用，它對(duì) 具增強(qiáng)效應(yīng)，隨電場(chǎng)三次項(xiàng)非線性增加，不是線性增加，這是反飽和情況。若b b（m mo0，非極性分子）隨電場(chǎng)增加很快，這也是反飽和情況。式中關(guān)于E的三階項(xiàng)，如果它主要來(lái)源于固有偶極矩m mo0，則具有飽和效應(yīng)，如果來(lái)源于各向異性極化率a，則有一個(gè)增強(qiáng)效應(yīng)（反飽和效應(yīng)）。晶體中的偶極取向極化晶體中的偶極取向極化 缺陷偶極子 實(shí)際晶體存在缺陷和雜質(zhì)，在這些區(qū)域往往

7、有著空格點(diǎn)和束縛得不那么緊密的，它們等效地帶有正、負(fù)電荷，熱運(yùn)動(dòng)使空格點(diǎn)和弱束縛離子作混亂排布，而正負(fù)電荷間的庫(kù)侖引力把它們耦合在一起，形成偶極子稱點(diǎn)缺陷偶極子，介紹兩種缺陷偶極子 晶體中的偶極取向極化1.如圖是一個(gè)具有缺陷的晶格示意圖，其中一個(gè)雜質(zhì)離子取代了晶格格點(diǎn)上的一個(gè)離子，由于價(jià)數(shù)不同在該點(diǎn)形成一個(gè)正電荷的空間電荷，空間電荷束縛在晶體缺陷上，因而不是自由電荷。由于這個(gè)正電荷的庫(kù)侖作用，容易吸引另一個(gè)負(fù)離子作為填隙離子，并束縛在其附近，顯然，填隙負(fù)離子處于圖中所示位置或改變到圖中的位置2，3，4其能量是相同的，與正電荷相束縛的填隙負(fù)離子的各種可能位置使得正負(fù)空間電荷形成一個(gè)有幾個(gè)可能取向

8、的偶極子。晶體中的偶極取向極化1.電矩在外電場(chǎng)中的方向改變實(shí)際上是雜質(zhì)離子的跳躍（hopping）運(yùn)動(dòng)，即由一個(gè)填隙位置跳到另一個(gè)填隙位置，在跳躍過(guò)程中要克服一定的勢(shì)壘，跳躍運(yùn)動(dòng)也可以是取代雜質(zhì)離子由一個(gè)晶格格點(diǎn)跳到鄰近格點(diǎn)上，而正負(fù)離子既可以是由取代方式也可以是由填隙方式產(chǎn)生，在完整性較差的晶體中，跳躍進(jìn)化的貢獻(xiàn)是顯著的，例如陶瓷等多晶體中，晶粒邊界層缺陷很多，容易束縛大量的空間電荷，對(duì)極化現(xiàn)象會(huì)作出響應(yīng)，其微觀機(jī)構(gòu)很復(fù)雜。晶體中的偶極取向極化晶體中的偶極取向極化1.另一種缺陷偶極子形式：NaCl為例，Na+在格點(diǎn)上作熱振動(dòng)，由于振2.動(dòng)能量足夠大，Na+離子脫離格點(diǎn)，形成帶負(fù)電的陽(yáng)離子空格

9、點(diǎn)，等3.效地帶有負(fù)電荷Na-形成庫(kù)侖電場(chǎng)，排斥周圍負(fù)離子Cl-，當(dāng)溫度足夠4.高，可以是負(fù)離子Cl-在一個(gè)或幾個(gè)格點(diǎn)范圍內(nèi)遷移，借助熱運(yùn)動(dòng)，迫5.使Cl-離開(kāi)格點(diǎn)，從而形成一個(gè)帶正電的負(fù)離子空格點(diǎn)Cl+，在NaCl晶6.體中總是存在一定數(shù)量的這種熱缺陷空格點(diǎn)，隨熱運(yùn)動(dòng)作混亂分布，7.從而一個(gè)正離子空格點(diǎn)與附近一個(gè)負(fù)離子空格點(diǎn)由于庫(kù)侖作用耦合在8.一起，就形成了由于熱缺陷產(chǎn)生的缺陷偶極子。9.缺陷偶極子在空間的取向不連續(xù)，它只能在幾個(gè)特定方向上取10.向，由于在這些特定方向上取向的隨機(jī)性，因此偶極矩的平均值為零?？瘴获詈峡瘴获詈?晶體中的偶極取向極化缺陷偶極子的取向極化 以LiF為例 形成一個(gè)

10、缺陷偶極子：Mg取代Li占據(jù)的12個(gè)最近鄰位置的某一個(gè)之一，可隨機(jī)躍遷晶體中的偶極取向極化 在外場(chǎng)作用下，12個(gè)位置就不再等價(jià)，不同取向的缺陷偶極子 在電場(chǎng)中勢(shì)能是不同的，沿電場(chǎng)方向取向的缺陷偶極子勢(shì)能最低?？瘴悔呄蛴谘胤措妶?chǎng)方向的格點(diǎn)躍遷 這樣，在電場(chǎng)方向就出現(xiàn)了偶極矩，這樣，在電場(chǎng)方向就出現(xiàn)了偶極矩，著就是缺陷偶極子極化。著就是缺陷偶極子極化。晶體中的偶極取向極化具體分析如下：在電場(chǎng)方向分量 1位缺陷偶極子在電場(chǎng)方向分量 2位缺陷偶極子在電場(chǎng)方向分量 3位缺陷偶極子在電場(chǎng)方向分量 晶體中的偶極取向極化在電場(chǎng)中能量 能量最高 次之 能量最低 它們?cè)?，2，3位上出現(xiàn)的幾率，按正則分布 晶體中的偶極取向極化故缺陷偶極子在電場(chǎng)方向的平均偶極矩 令 當(dāng)電場(chǎng)不太高，溫度不太低 謝謝觀看/歡迎下載BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH