第六章 电介质物理
本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究,
着重介绍如下内容：电介质的极化响应；电介
质中的电荷转移，电介质的电导、损耗及击穿
特性；复介电常数和介电谱的实验研究，以进
一步了解电介质的最基本的物理性质 —— 介电
性，以及进而了解电介质的分子结构和极化机
理。
本章提要
第六章 电介质物理
6.1概述
6.2静电场中的电介质行为
6.3变动电场中电介质行为及介质损耗
6.4极化弛豫
6.5动态介电系数
6.6固体电介质的电导与击穿
6.7复介电常数和介电谱的实验研究
2个学时
2个学时
2个学时
2个学时
一、电介质的概念及特点
二、电介质的分类
三、电介质的四大基本常数
四、电介质的理论
6.1概述
? 电介质是在电场作用下具有极化能力
并在其中长期存在电场的一种物质
? 电介质具有极化能力和其中能够长期
存在电场的性质是电介质的基本属性
? 电介质体内一般没有自由电荷，具有
良好的绝缘性能
? 电介质又可称为绝缘材料（ insulating
material）或绝缘体（ insulator）
一、电介质的概念及特点
二、电介质的分类
分类原则 分类
物质组成特性 无机电介质和有机电介
质
物质的聚集态 气体介质、液体介质及
固体介质
物质原子排列的有序化
晶体电介质和非晶态电
介质
组成分子的电荷的空间
分布
极性电介质和中性电介
质
介质组成成分的均匀度 均匀介质和非均匀介质
介电常数是指以电极化的方式传递、存贮或记
录电的作用
电导是指电介质在电场作用下存在泄露电流
介电损耗是电介质在电场作用下存在电能的损耗
击穿是指在强电场下可能导致电介质的破坏
三、电介质的四大基本常数
包括介质的电极化响应理论，电介质中的
电荷转移、电导和电击穿理论，电介质的
唯象理论，电介质的微观理论和铁电理论
四、电介质的理论
（ 6）电极化的非线性效应等。
介质的电极化响应理论
（ 1）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机构
（ 2）洛伦兹的有效场
（ 3）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）
（ 4）介电弛豫
（ 5）谐振吸收和色散
材料介电特性源自在电场作用下电子, 原子,
离子的位移 。 显然材料不同的结构, 这些位
移以及由此而引起的介电性质也不相同 。 特
别在晶体材料中由于晶体不同的对称性使电
场 — 位移之间从而使晶体介电性质也表现为
时空特性 。 为了弄清这些关系, 我们先将材
料的介电特性作简单的介绍 。
电介质材料的介电特性
6.2静电场中的电介质行为
在电场作用下，电介质是以正负电荷重心
不重合的电极化方式来传递并记录电影响
的。
从微观上看．电极化是由于组成介质的原
子 (或离子 )中的电子壳层在电场作用下发生
畸变，以及由于正负离子的相对位移而出
现感应电矩。此外还可能是由于分子 (或原
胞 )中不对称性所引起的固有电矩，在外电
场作用下，趋于转至和场平行方向而发生
的。
6.2.1电介质材料的静态介电常数
图 6.1电介质电极化产生感应电荷
真空时 D =ε0E0
当两板间充以均匀电介质时,D = ε0εs E
令 P代表介质的电极化强度。亦即介质表面
的面电荷密度或介质中单位体积的电矩,
则 D =ε0E+P
P =ε0（ εs -1） E
宏观静态介电系数 εs与内部电极化 P的关系
分子极化
(三 )固有电矩的转向极化
分子的极化可以归结为三个来源。
(一 )电子的位移极化
(二 )离子的位移极化
6.2.1.1电子的位移极化
由于电场的作用，构成它的原子、离子中的
电子云将发生畸变，使电子云与原子核发生
相对位移，在电场和恢复力的作用下，原子
具有了一定的电偶极矩，这种电极化常被称
为电子的位移极化 Pe
一般情况下，这感应电矩 μe 与所用的局部
有效电场 E成正比
μe=αe E αe为电子极化率
以最简单的氢原子来说，量子力学的计算得出
其中 r代表电子轨道半径。因为氢原子轨道半径
约为 0,5× 10-8cm，故 α e为 0,56× 10-30。
αe =
r329αe =
当电子轨道半径增大时，电子极化率很快地
增加。
当原子轨道上的电子增多时, 由于每一电
子在电场作用下都要产生位移, 使得总的极
化率增大 。 价电子受核的束缚比较弱, 因而
位移极化比较大 。
? 在元素周期表中, 对于同一族元素的原子
,电子极化率随着原子在表中的位置自上而
下地增大 。
? 在同一周期中的元素, 随着其位置由左向
右时, 原子中的电子极化率则可以增大亦可
以减少 。 这是因为虽然轨道上电子数增多,
但轨道半径却可能减少, 故结果要看哪个效
应占优势而定 。
αe =
电子极化很重要，通常负离子的电子位移极
化远大于正离子,O2- 的电子极化率很大，
故许多含 O2- 的物质都具有较大的介电系数。
极化强度为单位体积的电矩。极化的大小不
仅决定于粒子的感应电矩。而且决定于单位
体积的粒子数。因此，凡 αe/r3 较大的粒子对
极化就有较大的贡献。有些离子，如 O2-，
C4+,B3+,S2-,Ti4+ 等的 αe/r3 具有特别大的
值。
6.2.1.2离子的位移极化
两个离子的位移极化率为
可以近似地认为，两离子中心间的距离 Ro等
于它们的离子半径 R1和 R2之和，即
1
3
0
?? n
Ra
?
? ?
1
21
3
??
?
n
RR
a?
有极分子的离子位移极化率和离子半径的立
方应具有相同的数量级，亦即在数量级上接
近离子的电子极化率 α e。在无极分子中，离
子位移极化率很小，因而电子极化率 α e是主
要的。
若分子具有固有电矩, 而在外电场作用下, 电
矩的转向所产生的电极化, 称为转向极化 Pd 。
许多电介质, 例如一些有极性的液体, 具有
较大的介电常数, 这是与其中存在固有电矩有
关的 。 如果分子只有固有电矩, 则在外电场作
用下, 它们将趋于转到与外场平行的方向, 使
介质的极化强度增大 。 特别重要的是, 由于固
有电矩间的相互作用具有长程的性质, 一个分
子的转向会带动周围许多分子的转向 。 这样,
会使得介电常数具有较大的数值 。
6.2.1.3固有电矩的转向极化
分子中固有电矩的存在，是由于分子结构
上的不对称性。例如水和氯化氢都只有固
有电矩，前者是由于 H2O分子并非直线结构
(两个 OH链间夹角约为 1050)，后者则由于电
荷在原子周围分布的不均衡而在氢的一端
具有较多的正电荷，在氯一端具有较多的
负电荷所致。
研究固有电矩和它们在外电场作用下的转
向，可以提供关于介质微观结构的信息。
下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向,
从而求出其极化率 α d,在这里的初步考虑
中, 将忽略固有电矩的相互作用, 实际上这只
适用于稀疏情况下的气体 。
气体包含大量相同的分子, 而每个分子的出
有电矩为 μ 。 在没有外电场作用时, 由于热运
动, 这些电偶极子的排列是完全无规则的, 因
而就整个气体来看, 并不具有电矩, 当加上外
电场 ξ 后, 每个电矩都受到力矩的作用, 趋于
同外场平行, 即起于有序化, 另一方面热运动
使电矩无序化 。 可见同时存在有序化和无序化
相矛盾的两个方面 。 在一定的温度和一定的外
场 ξ 下, 两方面的作用达到暂时的互相平衡 。
固有电矩 μ 在外电场 ξ 中的势能为
θ 为 μ 和 ξ 间的夹角。
按玻尔兹曼统计，电矩 μ 和电场 ξ 的夹角介
于 θ 和 θ 十 dθ 之间的几率正比于
因此沿电场方向的平均电矩为
???
?
???
?
?
T
d K
B
????? ? ? c o se x p2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
??
???
??
0
0
c o s
e x ps in
c o s
e x ps inc o s
c o s
d
T
E
d
T
E
K
K
B
B
??? c o s????? uE
固有电矩的转向极化率 α d为
TK
B
d 3
2
?
? ?
热运动的无序化作用占相当优势的情况下，
μ E＜＜ KBT
6.2.2洛伦兹的有效场模型
对于最简单情形，不考虑粒子的电矩之间相
互作用，则促使粒子极化的电场就是宏观的
外加电场。这样，介质的静电极化强度 P就是
上面所考虑的三部分极化强度之和，即
式中 N是单位体积中的分子数,2e是分子中的
电子极化率,2α 是分子中的离子位移极化率
。
E
K
aeNP
BT
??
?
?
??
?
?
???
3
22
2?
对于稀疏气体，分子间的相互作用可以近似
地忽略，气体介电常数同实验结果符合得相当
好。
宏观的介质常数 εs,
???
?
???
?
?????
BT
s KaeNE
P
3
22441
2?
???
液体和固体是凝聚态，分子 (或原胞 )间的相
互作用很强．不能忽略。于是作用在分子或
原子 (或离子 )上的电场就不单单是外加的宏
观电场，还应加上其他的分子或原子 (离子 )
极化所产生的电场。作用在分子或原子处的
总电场，常称为有效场。已经指出，电矩间
的库仑相互作用是长程的，这就使得对有效
场 ξ 有效 的计算很繁难。
图 6.3洛仑兹关于有效场计算的模型
球内球外宏有效 EEEE ???
PE
03
1
?
?球外
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?? 555
22 333
J
jj
jz
J
jj
jy
J
jj
jx
j R
zx
R
yx
R
rx
E ???球内
对于 简单立方晶体,体心立方，面心立方，
以及氯化钠结构的晶体
0?球内E
? ? 0,
3
1
0
??? 球内宏有效 EPEE
?
但是，决不能认为所有具有立方结构的晶
体，它们的 E球内 都等于零。例如钛酸钡
（ BaTiO3）虽属立方结构，但其中氧的周
围并不是立方对称的，因而 E球内 不等于零
本章就有关电介质的基本理论和基本实验研究,
着重介绍如下内容：电介质的极化响应；电介
质中的电荷转移，电介质的电导、损耗及击穿
特性；复介电常数和介电谱的实验研究，以进
一步了解电介质的最基本的物理性质 —— 介电
性，以及进而了解电介质的分子结构和极化机
理。
本章提要
第六章 电介质物理
6.1概述
6.2静电场中的电介质行为
6.3变动电场中电介质行为及介质损耗
6.4极化弛豫
6.5动态介电系数
6.6固体电介质的电导与击穿
6.7复介电常数和介电谱的实验研究
2个学时
2个学时
2个学时
2个学时
一、电介质的概念及特点
二、电介质的分类
三、电介质的四大基本常数
四、电介质的理论
6.1概述
? 电介质是在电场作用下具有极化能力
并在其中长期存在电场的一种物质
? 电介质具有极化能力和其中能够长期
存在电场的性质是电介质的基本属性
? 电介质体内一般没有自由电荷，具有
良好的绝缘性能
? 电介质又可称为绝缘材料（ insulating
material）或绝缘体（ insulator）
一、电介质的概念及特点
二、电介质的分类
分类原则 分类
物质组成特性 无机电介质和有机电介
质
物质的聚集态 气体介质、液体介质及
固体介质
物质原子排列的有序化
晶体电介质和非晶态电
介质
组成分子的电荷的空间
分布
极性电介质和中性电介
质
介质组成成分的均匀度 均匀介质和非均匀介质
介电常数是指以电极化的方式传递、存贮或记
录电的作用
电导是指电介质在电场作用下存在泄露电流
介电损耗是电介质在电场作用下存在电能的损耗
击穿是指在强电场下可能导致电介质的破坏
三、电介质的四大基本常数
包括介质的电极化响应理论，电介质中的
电荷转移、电导和电击穿理论，电介质的
唯象理论，电介质的微观理论和铁电理论
四、电介质的理论
（ 6）电极化的非线性效应等。
介质的电极化响应理论
（ 1）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机构
（ 2）洛伦兹的有效场
（ 3）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）
（ 4）介电弛豫
（ 5）谐振吸收和色散
材料介电特性源自在电场作用下电子, 原子,
离子的位移 。 显然材料不同的结构, 这些位
移以及由此而引起的介电性质也不相同 。 特
别在晶体材料中由于晶体不同的对称性使电
场 — 位移之间从而使晶体介电性质也表现为
时空特性 。 为了弄清这些关系, 我们先将材
料的介电特性作简单的介绍 。
电介质材料的介电特性
6.2静电场中的电介质行为
在电场作用下，电介质是以正负电荷重心
不重合的电极化方式来传递并记录电影响
的。
从微观上看．电极化是由于组成介质的原
子 (或离子 )中的电子壳层在电场作用下发生
畸变，以及由于正负离子的相对位移而出
现感应电矩。此外还可能是由于分子 (或原
胞 )中不对称性所引起的固有电矩，在外电
场作用下，趋于转至和场平行方向而发生
的。
6.2.1电介质材料的静态介电常数
图 6.1电介质电极化产生感应电荷
真空时 D =ε0E0
当两板间充以均匀电介质时,D = ε0εs E
令 P代表介质的电极化强度。亦即介质表面
的面电荷密度或介质中单位体积的电矩,
则 D =ε0E+P
P =ε0（ εs -1） E
宏观静态介电系数 εs与内部电极化 P的关系
分子极化
(三 )固有电矩的转向极化
分子的极化可以归结为三个来源。
(一 )电子的位移极化
(二 )离子的位移极化
6.2.1.1电子的位移极化
由于电场的作用，构成它的原子、离子中的
电子云将发生畸变，使电子云与原子核发生
相对位移，在电场和恢复力的作用下，原子
具有了一定的电偶极矩，这种电极化常被称
为电子的位移极化 Pe
一般情况下，这感应电矩 μe 与所用的局部
有效电场 E成正比
μe=αe E αe为电子极化率
以最简单的氢原子来说，量子力学的计算得出
其中 r代表电子轨道半径。因为氢原子轨道半径
约为 0,5× 10-8cm，故 α e为 0,56× 10-30。
αe =
r329αe =
当电子轨道半径增大时，电子极化率很快地
增加。
当原子轨道上的电子增多时, 由于每一电
子在电场作用下都要产生位移, 使得总的极
化率增大 。 价电子受核的束缚比较弱, 因而
位移极化比较大 。
? 在元素周期表中, 对于同一族元素的原子
,电子极化率随着原子在表中的位置自上而
下地增大 。
? 在同一周期中的元素, 随着其位置由左向
右时, 原子中的电子极化率则可以增大亦可
以减少 。 这是因为虽然轨道上电子数增多,
但轨道半径却可能减少, 故结果要看哪个效
应占优势而定 。
αe =
电子极化很重要，通常负离子的电子位移极
化远大于正离子,O2- 的电子极化率很大，
故许多含 O2- 的物质都具有较大的介电系数。
极化强度为单位体积的电矩。极化的大小不
仅决定于粒子的感应电矩。而且决定于单位
体积的粒子数。因此，凡 αe/r3 较大的粒子对
极化就有较大的贡献。有些离子，如 O2-，
C4+,B3+,S2-,Ti4+ 等的 αe/r3 具有特别大的
值。
6.2.1.2离子的位移极化
两个离子的位移极化率为
可以近似地认为，两离子中心间的距离 Ro等
于它们的离子半径 R1和 R2之和，即
1
3
0
?? n
Ra
?
? ?
1
21
3
??
?
n
RR
a?
有极分子的离子位移极化率和离子半径的立
方应具有相同的数量级，亦即在数量级上接
近离子的电子极化率 α e。在无极分子中，离
子位移极化率很小，因而电子极化率 α e是主
要的。
若分子具有固有电矩, 而在外电场作用下, 电
矩的转向所产生的电极化, 称为转向极化 Pd 。
许多电介质, 例如一些有极性的液体, 具有
较大的介电常数, 这是与其中存在固有电矩有
关的 。 如果分子只有固有电矩, 则在外电场作
用下, 它们将趋于转到与外场平行的方向, 使
介质的极化强度增大 。 特别重要的是, 由于固
有电矩间的相互作用具有长程的性质, 一个分
子的转向会带动周围许多分子的转向 。 这样,
会使得介电常数具有较大的数值 。
6.2.1.3固有电矩的转向极化
分子中固有电矩的存在，是由于分子结构
上的不对称性。例如水和氯化氢都只有固
有电矩，前者是由于 H2O分子并非直线结构
(两个 OH链间夹角约为 1050)，后者则由于电
荷在原子周围分布的不均衡而在氢的一端
具有较多的正电荷，在氯一端具有较多的
负电荷所致。
研究固有电矩和它们在外电场作用下的转
向，可以提供关于介质微观结构的信息。
下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向,
从而求出其极化率 α d,在这里的初步考虑
中, 将忽略固有电矩的相互作用, 实际上这只
适用于稀疏情况下的气体 。
气体包含大量相同的分子, 而每个分子的出
有电矩为 μ 。 在没有外电场作用时, 由于热运
动, 这些电偶极子的排列是完全无规则的, 因
而就整个气体来看, 并不具有电矩, 当加上外
电场 ξ 后, 每个电矩都受到力矩的作用, 趋于
同外场平行, 即起于有序化, 另一方面热运动
使电矩无序化 。 可见同时存在有序化和无序化
相矛盾的两个方面 。 在一定的温度和一定的外
场 ξ 下, 两方面的作用达到暂时的互相平衡 。
固有电矩 μ 在外电场 ξ 中的势能为
θ 为 μ 和 ξ 间的夹角。
按玻尔兹曼统计，电矩 μ 和电场 ξ 的夹角介
于 θ 和 θ 十 dθ 之间的几率正比于
因此沿电场方向的平均电矩为
???
?
???
?
?
T
d K
B
????? ? ? c o se x p2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
??
?
??
???
??
0
0
c o s
e x ps in
c o s
e x ps inc o s
c o s
d
T
E
d
T
E
K
K
B
B
??? c o s????? uE
固有电矩的转向极化率 α d为
TK
B
d 3
2
?
? ?
热运动的无序化作用占相当优势的情况下，
μ E＜＜ KBT
6.2.2洛伦兹的有效场模型
对于最简单情形，不考虑粒子的电矩之间相
互作用，则促使粒子极化的电场就是宏观的
外加电场。这样，介质的静电极化强度 P就是
上面所考虑的三部分极化强度之和，即
式中 N是单位体积中的分子数,2e是分子中的
电子极化率,2α 是分子中的离子位移极化率
。
E
K
aeNP
BT
??
?
?
??
?
?
???
3
22
2?
对于稀疏气体，分子间的相互作用可以近似
地忽略，气体介电常数同实验结果符合得相当
好。
宏观的介质常数 εs,
???
?
???
?
?????
BT
s KaeNE
P
3
22441
2?
???
液体和固体是凝聚态，分子 (或原胞 )间的相
互作用很强．不能忽略。于是作用在分子或
原子 (或离子 )上的电场就不单单是外加的宏
观电场，还应加上其他的分子或原子 (离子 )
极化所产生的电场。作用在分子或原子处的
总电场，常称为有效场。已经指出，电矩间
的库仑相互作用是长程的，这就使得对有效
场 ξ 有效 的计算很繁难。
图 6.3洛仑兹关于有效场计算的模型
球内球外宏有效 EEEE ???
PE
03
1
?
?球外
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?? 555
22 333
J
jj
jz
J
jj
jy
J
jj
jx
j R
zx
R
yx
R
rx
E ???球内
对于 简单立方晶体,体心立方，面心立方，
以及氯化钠结构的晶体
0?球内E
? ? 0,
3
1
0
??? 球内宏有效 EPEE
?
但是，决不能认为所有具有立方结构的晶
体，它们的 E球内 都等于零。例如钛酸钡
（ BaTiO3）虽属立方结构，但其中氧的周
围并不是立方对称的，因而 E球内 不等于零
