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phymath999: 电导率张量(二阶对称张量)。
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电介质迷思_百度文库
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lec4-材料的介电性能_百度文库
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博文
[转载]浙江大学陈湘明教授之电介质迷思(1): 传输极化两悠悠
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众所周知，按电性能对物质进行分类时，通常可分为绝缘体、半导体与导体，当然还有超导体。一般非专业人士很少能想到与半导体同等重要的电介质(dielectric)，也有不少人误以为电介质即等同于绝缘体。因此，有必要着眼于其基本物理特性及其根源、正确理解电介质。
当人们将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据显然是物质的电荷传输特性或曰电荷长程迁移特性。电荷的传输或曰电荷的长程迁移，作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律: J=sE，其中J为电流密度，E电场强度，而s为电导率张量(二阶对称张量)。电导率反映了物质的电荷传输特性或曰电荷长程迁移特性。一般根据电导率数量级大小来划分绝缘体(s<10-10[WNaN]-1)、半导体(10-10[WNaN]-1<s<105[WNaN]-1)、以及导体(s>105[WNaN]-1)。
另一方面，物质对外电场的响应除去电荷的传输或曰电荷的长程迁移外、还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为极化(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生电偶极矩。而以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质。显然，电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。介电响应可用如下方程描述：D=ee0E 或 P=ce0E，其中，D为电位移、P为极化强度、e0为真空电容率、e为相对介电常数、c为宏观极化率，e与c均为二阶对称张量。由于e=1+c，用相对介电常数与宏观极化率描述介电性质是等价的。介电常数的物理意义可以理解为电介质在极化过程中储存电荷能力之度量。由于极化过程总伴随着能量损耗，介电常数需要用复数来描述：e=e'-je”。其中，介电常数的实部e'反映了电介质极化过程中储存电荷能力之大小，而其虚部e”则反映了电介质极化过程中的能量损耗，一般用损耗正切(tand=e”/e')来表征介电损耗(dielectric loss)。
电介质的介电响应规律以及相对介电常数、介电损耗等宏观物理性能均取决于其微观极化机制。电介质的微观极化机制主要有：电子极化、离子极化、取向极化以及空间电荷极化。根据介电响应规律的不同，电介质可分为线性电介质与非线性电介质两大类。前者之电位移与电场呈线性关系,称为顺电体(paraelectric)；后者之电位移与电场呈非线性关系，包括铁电体(ferroelectric; 呈单电滞回线)与反铁电体(antiferroelectric; 呈双电滞回线)等。
对于非中心对称的晶体，应力可以导致其极化强度的改变，反之电场的作用可导致机械应力或机械振动。这种效应分别称为正压电效应与逆压电效应(piezoelectricity)，而相应的物质称为压电体(piezoelectric)。此外，对于非中心对称的极性晶体，温度的变化可以导致其自发极化强度的改变，这种效应称为热释电效应(pyroelectricity)，相应的物质称为热释电体(pyroelectric)。
上述各种电介质为我们提供了丰富多彩的电子元器件，从而构筑了现代电子与信息技术的支柱之一。电容器、谐振器、滤波器、铁电存储器、起爆器、换能器、压电变压器、声纳、超声振子、速度与加速度传感器、红外传感器、微波移相器等众多电子元件，无不依赖各种电介质材料、无不立足于材料不同的极化特性之应用。
综上所述，传输与极化乃是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传输特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。电介质与绝缘体是相互密切联系、然并不能等同的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传输效应远远超过了极化效应而已。
参考文献
1) 殷之文主编,电介质物理学(第二版),科学出版社,北京,2003.
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