介電質

介電質（，又称电介质）是一種可被電極化的絕緣體。假設將介電質置入外電場，則束縛於其原子或分子的束縛電荷不會流過介電質，只會從原本位置移動微小距離，即正電荷朝著電場方向稍微遷移，而負電荷朝著反方向稍微遷移。這會造成介電質電極化，從而產生反抗電場，減弱介電質內部的電場。假若介電質是由弱鍵結的分子構成，則這些分子不但會被電極化，也會改變取向，試著將自己的對稱軸與電場對齊。一个用来衡量电介质特性的参数是介电常数κ。假如一种绝缘体充满两个平行板电容器之间会使得该电容器的电容增加κ 倍，该绝缘体的介电常数则为κ。该电介质特性完全由该绝缘体本身的性质所决定，与外加的电场无关。

介電質的用途相當廣泛。介電質的電傳導能力很低，再加上具備有很好的介電強度（）性質，就可以用來製造電絕緣體。另外介電質可被高度電極化，是優良的電容器材料。對於介電性質的研究，涉及了物質內部電能和磁能的儲存與耗散。用於解釋電子學、光學和固態物理的各種各樣現象，這研究極端重要。

回應麥可·法拉第的請求，英國科學家威廉·暉巍（）命名所有可被電極化的絕緣體為介電質。

電極化率
介電質因響應外電場的施加而極化的程度，可以用電極化率來衡量。從電極化率又可以計算出介電質的電容率。因此，電極化率會影響介電質內各種其它可能發生的現象，像電容器的電容、光波傳播於物質內部的光速等等。

對於各向同性、線性、均勻的介電質，電極化率\chi_e定義為
:\mathbf{P}\ \stackrel{def}{=}\ \epsilon_0\chi_e\mathbf{E}；

其中，\mathbf{E}是電場，\mathbf{P}是電極化強度，\epsilon_0是電常數（或称为真空电容率）。

由於電位移\mathbf{D}定義為
:\mathbf{D}\ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\ \epsilon_{0} \mathbf{E} + \mathbf{P}。

所以，電位移與電場成正比：
:\mathbf{D}=\epsilon_{0}(1+\chi_e) \mathbf{E}=\epsilon\mathbf{E} ；

其中，\epsilon是電容率。

定義相對電容率\epsilon_{r}為電容率與電常數的比例：
:\epsilon_{r}\ \stackrel{\mathrm{def}}{=}\ \epsilon / \epsilon_{0}。

那麼，介電質的電極化率與相對電容率的關係式為
:\chi_e\ = \epsilon_r - 1。

在自由空間裏，
:\chi_e\ = 0。

假若介電質具有各向異性，則電極化率是一個二階張量。

色散性質和因果關係
一般而言，物質無法為了要響應一個含時外電場的變化而瞬時地電極化。因此，更廣義的表述必須將時間t納入考量：
:\mathbf{P}(t)=\frac{\epsilon_0}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^t \chi_e(t-t') \mathbf{E}(t')\, dt'。

那就是，電極化強度是先前時間的電場與含時電極化率\chi_e(\Delta t)的摺積。假設每當\Delta t=t-t' 時，\chi_e(\Delta t) = 0，則這積分的上限可以延伸至無窮大：
:\mathbf{P}(t)=\frac{\epsilon_0}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^\infty \chi_e(t-t') \mathbf{E}(t')\, dt'。

瞬時的響應對應於狄拉克δ函數電極化率\chi_e(\Delta t) = \chi_e \delta(\Delta t)。

對於一個線性系統，可以簡單地做一個傅立葉變換，將這關係式寫為頻率\omega的函數：
:\begin{align}
\mathbf{P}(\omega)& = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^\infty \mathbf{P}(t)e^{i\omega t}\, dt \\
& = \frac{\epsilon_0}{2\pi} \int_{-\infty}^\infty\left[ \int_{-\infty}^\infty \chi_e(t-t')\mathbf{E}(t')\, dt'\right] e^{i\omega t}\, dt \\
& = \frac{\epsilon_0}{2\pi} \int_{-\infty}^\infty\left[ \int_{-\infty}^\infty \chi_e(t-t')e^{i\omega (t-t')}\, dt\right]\mathbf{E}(t')e^{i\omega t'}\, dt' \\
& = \frac{\epsilon_0}{2\pi} \int_{-\infty}^\infty\left[ \int_{-\infty}^\infty \chi_e(t)e^{i\omega (t)}\, dt*\right]\mathbf{E}(t')e^{i\omega t'}\, dt' \\
& = \frac{\epsilon_0}{2\pi} \left[ \int_{-\infty}^\infty \chi_e(t)e^{i\omega (t)}\, dt*\right]\left[\int_{-\infty}^\infty\mathbf{E}(t')e^{i\omega t'}\, dt'\right] \\
& = \epsilon_0 \chi_e(\omega)\mathbf{E}(\omega)\\
\end{align} 。

這結果是摺積定理的一個範例。

在頻率空間，電極化強度與電場成正比，比例為電極化率乘以電常數。從電極化率的頻率函數，可以描繪出物質的色散性質。

由於因果關係，電極化只能跟先前時間的電場有關（也就是說，每當\Delta t 時，設定\chi_e(\Delta t) = 0）。這事實迫使電極化率\chi_e(0)必須遵守克拉莫-克若尼約束。

介電質的種類
介電質大致分為兩類：
*非極性介電質（中性电介质）：每一個分子的負電荷的質心位置與正電荷的質心位置相同。假設外電場為零，則每一個分子的電偶極矩為零。包括：单原子分子He（氦）、相同原子组成的双原子分子H2（氢气）、O2（氧气）、对称分布的多原子分子CH4（甲烷）等等。其特点为导电能力较低、损耗小、不易发生热击穿。例如：变压器油、聚乙烯塑料。
極性介電質：每一個分子的負電荷的質心位置與正電荷的質心位置不相同。每一個分子都單獨具有電偶極矩。但是，由於電偶極矩是隨機的，整個介電質的平均電偶極矩為零。包括，H2O（水）、NH3（氨）、SO2（二氧化硫）等等。其特点为导电能力较强、损耗大、易发热、发生热击穿。例如：天然橡胶、酚醛树脂。弱极性电介质：电偶极矩μ0≤0.5D（德拜，电偶极距的单位）；中极性：0.5＜μ0≤1.5D；强极性：μ*0≥1.5D。
*离子型电介质：由离子键形成的电介质。例如：无机玻璃、云母、石英。

各種介電質的電極化機制
同一種介電質可能會涉及到幾種不同的電極化機制，每一種電極化機制都有其主要活動頻率，都有其特徵的截止頻率，超過這截止頻率，對應的機制無法跟著電磁波振動，不再能貢獻出電極化。對於每一種介電質，電極化機制的截止頻率與電極化程度都不相同。

介電質的物理行為是由電場\mathbf{E}與電偶極矩\mathbf{p}之間的關係方程式\mathbf{p}=\mathbf{p}(\mathbf{E})給出。從這關係方程式，可以預測出許多很有意思的物理現象，例如，折射率、色散、雙折射、自聚焦（）、諧波產生（）。

原子極化
離子晶體中含有電荷量相等的陰離子和陽離子，並且這兩種離子交替排列，整齊有規律，往往呈現出規則的幾何外形。比如：氯化鈉晶體呈現出立方體的空間構型，每個钠离子周圍有上下前後左右共6個最近的等距離的氯离子；每個氯离子周圍有上下前後左右共6個最近的等距離的钠离子。在正常狀況，假設外電場為零，則巨觀電偶極矩為零。但是，假設外電場不為零，則由於正離子會朝著外電場方向遷移位置，而負離子則會朝著反方向遷移位置。正離子與負離子之間的相對位移形成了「離子極化」（），又稱為「原子極化」（atomic polarization）巨觀電偶極矩不等於零。例如，氯化鈉、氯化鉀等等。。]]

由於含時外電場的作用，介電質內部的帶電粒子會遷移位置。但是，這動作需要時間來完成。所以，對於外電場的變化，響應的電極化在時間方面必定會有所推遲。這意味著牽涉到的電極化機制密切地跟外電場的頻率有關：。

實際的介電質
介電質可以是固體，液體，或氣體。另外，高真空也是一種有用、無損失的介電質，雖然其相對電容率僅為1。

固態介電質被廣泛使用於電子工業，是非常優良的絕緣體，例如瓷器、玻璃、大多數種類的塑膠。三種最廣泛使用的氣態介電質（）為空氣、氮氣與六氟化硫。
*聚對二甲苯可以用為工業鍍膜（），提供基質與外界環境之間的介電質障壁。

• 礦物油（）廣泛地使用於變壓器。對於這用途，礦物油的主要功能為液態介電質與協助散熱。具有高電容率的介電質液體，像電子工業用蓖麻油，常被注入高電壓電容器中來協助防止電暈放電（），並可提高電容。

*由於介電質阻礙電流流動，介電質表面或許會存留著停滯不動的多於電荷。這可能是因為摩擦介電質而意外造成的效應（摩擦起電效應）。范德格拉夫起電機與起電盤（）就是應用這種效應運作。但是，這效應也可能會因為靜電放電而造成電子元件的損壞。
*駐極體是一種特別的介電質，具有半永久的電荷或電極化強度。駐極體能夠產生電場，就好像磁鐵能夠產生磁場一樣。駐極體可以用來製作傳聲器、揚聲器、耳機、觸摸面板等等。
*當感受到機械壓力時，某些介電質會產生電壓差；或者當施加外電壓於這些介電質兩端時，這些介電質會改變物理形狀。這效應稱為壓電效應。具有這種特性的介電質可以用來製造打火機、感測器、致動器、晶體諧振器等等。
*有些離子晶體或聚合物擁有自發性電極化；施加外電場可以逆反這自發性電極化。這種物理行為稱為鐵電性效應，類似靜磁學的鐵磁性物質感受到外磁場作用所表現出的物理行為。鐵電性介電質可以用來製作可調的電容器、鐵電隨機存取記憶體、感測器等等。

參看
*介電強度（）
*電轉（）
*場籠（）
*高介電常數材料（）
*低介電常數材料
*漏電流（）

參閱文獻
外部連結
*[https://web.archive.org/web/20070116093447/http://wiki.4hv.org/index.php/Dielectric_Sphere_in_Electric_Field 處於電場的介電質球]
*劍橋大學材料學網頁：[http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/dielectrics/index.php DoITPoMS Teaching and Learning Package "Dielectric Materials"]