介電質

介電質（Dielectrics）
加州大學柏克萊分校物理系 2012 盧奕銓

• 定義及基本概念

物質大致可以分為兩類：「導體」與「絕緣體」，而絕緣體又稱為介電質。在導體內，每顆原子的外層電子可以任意移動，所以無法明確區分哪顆電子屬於哪顆原子。若將導體放在外加電場中，導體內的自由電子會逆著電場一路被推擠到導體表面，產生屏蔽效應；然而對介電質而言，電子被原子核束縛的很緊，加了電場之後，電子雖然也想逆著電場方向移動，但卻只能在自己所屬的原子附近做小幅度位移。雖然運動幅度不大，但每顆原子因為正負電荷分離，而形成許多「電偶極矩」，我們稱這種現象為「介電質的極化」。這些電偶極矩也會產生電場，在介電質內部，電偶極產生的電場和外加電場相反，所以也有些微的屏蔽效應；而在介電質外，靠近被極化物質的兩極處，電偶極產生的電場和外加電場方向大致相同。所以當極化現象發生後，介電質內外的電場其實是「外加電場」和「電偶極產生的電場」的向量和。

外加電場越大，正負電荷分離就越明顯，極化的程度也就越大，但外加電場不見得一定和極化程度成正比。然而，如果外加電場不是很強的話，極化程度約略會和外加電場成正比，用數學式表示可以寫成

\(\vec{P}=\epsilon_0\chi \vec{E}\)

其中 \(\vec{P}\) 是物質中單位體積的總電偶極矩強度，\(\epsilon_0\) 是真空中的電容率，\(\chi\) 稱為物質的電極化率，與物質的組成成分有關，\(\vec{E}\) 是總電場（外加電場和電偶極產生的電場總和）。用一點數學可以證明，外加電場和物質極化後產生的電場成正比。因此，上面這道公式仍然可以解讀為：外加電場和極化強度成正比。公式中，會用總電場而不用外加電場，純粹只是定義習慣而已。

• 極化成因

介電質的極化可再細分為兩種常見的原因：電荷分離、電偶極旋轉。

1. 電荷分離
   如定義中所述，一個電中性的原子放在外加電場中，帶正電的原子核會受到電場的推力，而帶負電的電子會受到電場的吸力，所以原子核會偏離電子分布的中心，而產生電偶極矩。物質中產生許多電偶極矩，在巨觀上就是被極化。

2. 電偶極旋轉
   有些物質本身就是由許多「電偶極矩」分子所組成。例如一個水分子雖然是電中性的，但是電荷分布很不均勻，即使在沒有外加電場之下，電子也大多分布在氧原子附近，所以水分子本身就是一個電偶極矩。沒有外加電場之下，這些水分子的方向沒有無規則可言，所以巨觀上一杯水也沒有任何極化現象。然而加了電場之後，帶負電的氧原子會被電場吸引，而帶正電的氫原子會被電場排斥，所以整個水分子會開始旋轉，直到正負電荷的連線和外加電場平行為止。

當然，在水分子當中，每個原子（氫和氧）也會因為外加電場，而有些許的電荷分離。所以極性分子組成的物質，在外加電場下極化效果通常很強，因為極化現象同時來自於「電荷分離」以及「電偶極旋轉」等兩種成因。

• 電磁波中的介電質

以上都是假設外加電場是靜電場。如果將物質放在電磁波中，電磁波隨時間震盪的電場也會把物質極化。只要電場變化速度不要太快（頻率不要太高），物質的極化強度大致上還是和外加電場成正比。然而，當電磁波頻率變高，電場震盪速度太快，正負電荷來不及位移太多，或是電偶極矩來不及旋轉完，電場就已經改變方向，都會減弱極化強度。一般而言，在電磁波中，介電質會有以下兩個新的反應：

1. 電場和極化強度開始不同步。例如外加電場是一個正弦波，則極化強度會是延遲的正弦波，延遲的程度和物質種類和電磁波頻率有關。
2. 極化強度減弱。外加電場振幅固定之下，如果慢慢調高電磁波的頻率，會發現電極化率 \(\chi\) 開始慢慢遞減。值得一提的是，要轉動一個電偶極矩，比讓原子電子分離還要困難，所以當電磁波頻率升高時，\(\chi\) 一開始遞減的原因，是因為電偶極矩來不及轉動；而頻率若繼續增加，\(\chi\) 的遞減才是因為電荷來不及分離。

電偶極旋轉也是微波爐加熱的主要原理：微波爐所發射的電磁波頻率為 \(2.4\mathrm{GHz}\)，這個頻率的電磁波特別容易被水吸收，而且穿透力好。水分子受到電磁波驅使之下會開始擺動，於是開始摩擦、碰撞其他分子，增加物質內部的分子的動能，溫度也跟著提高，達到加熱的效果。

參考文獻

1. Griffiths, D. J. (2012), Introduction to Electrodynamics, 4th edition. Pearson.