电极化
在经典电磁学里,当给电介质施加一个电场时,由于电介质内部正负电荷的相对位移,会产生电偶极子,这现象称为电极化(英语:electric polarization)。施加的电场可能是外电场,也可能是嵌入电介质内部的自由电荷所产生的电场。因为电极化而产生的电偶极子称为“感应电偶极子”,其电偶极矩称为“感应电偶极矩”。
电极化强度又称为“电极化矢量”,定义为电介质内的电偶极矩密度,也就是单位体积的电偶极矩。这定义所指的电偶极矩包括永久电偶极矩和感应电偶极矩。它的国际单位制度量单位是库仑每平方米(coulomb/m2),表示为矢量 P。
定义
电极化强度 P 定义为电介质单位体积 V 内的电偶极矩 p 的平均值:
可以理解为在材料区域内电偶极子的强度和对齐程度。这个定义很容易推广到解析定义,即电极化就是电偶极矩微元 dp 与体积微元 dV 的比值:
这反过来便能导出电极化的物体的电偶极矩的一般表达式:
这表明 P-场与磁化强度 M-场是完全类似的:
对于由一个外加电场引起的 P 值的计算,必须已知电介质的电极化率 χ(见下文)。
束缚电荷
束缚电荷是束缚于电介质内部某微观区域的电荷。这微观区域指的是像原子或分子一类的区域。自由电荷是不束缚于电介质内部某微观区域的电荷。电极化会稍微改变物质内部的束缚电荷的位置,虽然这束缚电荷仍旧束缚于原先的微观区域,这形成一种不同的电荷密度,称为“束缚电荷密度”:
。
注意刚才研究的是电偶极子中伸出界面的那部分,原微观区域的束缚电荷符号相反,故有负号。
总电荷密度是“自由电荷密度”
与束缚电荷密度的总和:
。
在电介质的表面,束缚电荷以表面电荷的形式存在,其表面密度称为“面束缚电荷密度”:
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其中,是从电介质表面往外指的法矢量。假若,电介质内部的电极化强度是均匀的,
是个常数矢量,则
等于0,这电介质所有的束缚电荷都是面束缚电荷。