固體的介電特性

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引言

在電場中不允許電荷流動的固體被稱為介電固體。它們的排列方式使得它們的淨偶極矩為零。這是因為在強電場中，固體中的原子核和電子被拉到固體的相對兩側，並在分子中產生偶極子。在本文中，我們將討論什麼是介電材料以及固體介電特性。

什麼是介電材料？

介電材料是電絕緣體，當它們置於電場中時，不會有電荷流入其中。當它們置於電場中時，它們會表現出極化現象。原子核上的正電荷略微向平衡位置移動，而帶負電的電子則向電場的反方向移動。這會在材料中產生極化，即產生一個強大的內部電場，從而減弱材料中電場的整體作用。介電分子包含弱鍵合的分子。

介電材料

介電材料和絕緣體的區別

正如我們所讀到的，介電材料是絕緣體，但並非所有絕緣體都是介電材料。介電材料和絕緣體之間存在一些差異。讓我們來看看它們：

介電材料	絕緣體
介電材料容易極化，但不導電	它們導電
它們分子內的鍵合較弱	它們分子內的鍵合較強
它們會產生一個內部電場，抵消外部電場的作用	它們不能在分子內產生這樣的電場。
示例：它們用於電容器、變壓器、電力電纜等。	示例：它們用於電器、高壓線等。

介電材料

介電材料在其內部產生內部電場，從而減弱電場對其的影響。它們會極化並儲存電荷。它們用於電容器、變壓器、電力電纜等。它們也用於儲存能量。介電材料有兩種型別：極性介電材料和非極性介電材料。

• 極性介電材料 - 極性介電材料在材料中表現出偶極矩。它們的質心帶正電，而負電部分不重合。它們的形狀是不對稱的。例如鹽酸和水。

• 非極性介電材料 - 非極性介電材料不表現出偶極矩，並且形狀對稱。質心帶正電，負電部分重合。例如雲母、金屬氧化物、玻璃、陶瓷、雲母等。

介電材料主要存在於固體中，但也存在於液體和氣體形式中。一些液體和氣體介電材料的例子如下。

• 液體介電材料：蒸餾水

• 氣體介電材料：真空、乾燥空氣、氮氣和氦氣。

介電材料的特性

介電材料具有以下特性：

• 它們具有電極化率。當它們置於電場中時，它們會極化。

• 它們表現出偶極矩。當它們置於電場中時，正電荷和負電荷在材料內部排列併產生偶極子。

• 它們表現出電子極化，即當我們將介電材料置於電場中時，它會形成偶極矩並變為中性。

• 介電材料會發生介電擊穿。當材料中的電流增加時，靜電場變得過於強烈。它開始導電。這稱為介電擊穿。

• 施加的電場去除後，介電材料會恢復到之前的狀態。

• 它們表現出電滲透性，因為當它們置於電場中時，它們會極化。

固體的介電特性

當介電材料置於電場中時，正電荷會略微移動到平衡位置，而帶負電的電子會向電子流的反方向移動。因此，在分子中會產生偶極子。並且分子會極化。根據偶極子的排列，晶體中可能沒有偶極子，但只有離子存在。由於分子中的極化，固體材料表現出一些特性。它們如下：

• 壓電性

• 鐵電性

• 反鐵電性

• 熱電性

壓電性

“壓電”一詞源於希臘語“piezein”，意為“壓”或“擠”。一些固體材料在電場中以有序的方式排列自身，因此固體中的偶極矩表現出壓電性，這意味著當對固體施加任何機械應力時，它會轉換為電能，反之亦然。

最好的例子是打火機。在打火機中，當按下按鈕時，由於壓力會點燃。這些材料也用於超聲波裝置、麥克風、聲納探測器、汽車工業以及機械和汽車工業等。例如石英、磷酸二氫銨 (NH₄ H₂ PO₄) 等。

鐵電性

在某些材料中，偶極子永久地與存在或不存在的電場對齊。它們被稱為鐵電材料。在這些材料中，當我們施加電場時，極化的方向會改變。

這些材料用於電容器、超聲波成像、濾波器、調製器等。鐵電材料的例子有鈦酸鋇 (BaTiO₃)、鐵電材料的鈉鹽和鉀鹽、磷酸二氫鉀 (KH₂ PO₄)、酒石酸鉀鈉鹽等。

反鐵電性

顧名思義，這些材料與鐵電材料相反。它們表現出零極化，因為偶極子是排列的，但方向相反。因此，淨偶極矩為零。反鐵電材料的強度和弱點可以透過改變溫度、壓力和施加的外部電場來改變。反鐵電性的一個例子是鋯鈦酸鉛 (PbZrO₃)。

熱電性

一些材料在加熱時會產生電能，這些材料被稱為熱電材料。“熱電”一詞源於“pyr”，意為“火”。透過這些材料產生的能量稱為熱電，該過程稱為熱電效應。

這些材料用於熱感測器、非接觸式紅外溫度計、發電、動物、人類和其他物體的運動檢測器等。

結論

在本文中，我們瞭解到介電材料是不良導體，當置於電場中時，它們會表現出極化現象。它們表現出電極化率、介電極化、偶極矩等特性。透過例項瞭解介電材料和絕緣體的區別。具有低介電常數的材料是理想的介電材料，在電場中表現出低電導率，例如干燥空氣、真空、氦氣和氮氣等。介電材料中偶極子的方向表現出不同的特性，例如壓電性、熱電性、鐵電性和反鐵電性。介電材料如何在我們的生活中發揮作用，例如導體、變壓器、汽車和電力工業等。

常見問題

1. 介電材料在電容器中的作用是什麼？

介電材料用於電容器中以減弱電容器極板之間的電場強度。它有助於減少高壓下的火花或短路。

2. 什麼是理想的介電材料？

理想的介電材料是不導電的。理想介電材料的一個例子是乾燥空氣。

3. 介電材料的用途有哪些？

介電材料用於電容器、變壓器、感測裝置、運動檢測器、溫度計、汽車工業、聲納探測器等。

4. 誰發現了鐵電材料？

鐵電材料是由 Valasek 在酒石酸鉀鈉鹽材料中發現的。

5. 鐵電材料的用途有哪些？

鐵電材料用於電容器、紅外相機、火災感測器、鐵電RAM、燃油噴射器等。