電極化

在古典電磁學裏，當給電介質施加一個電場時，由於電介質內部正負電荷的相對位移，會產生電偶極子，這現象稱為電極化（英語：electric polarization）。施加的電場可能是外電場，也可能是嵌入電介質內部的自由電荷所產生的電場。因為電極化而產生的電偶極子稱為「感應電偶極子」，其電偶極矩稱為「感應電偶極矩」。

電極化強度（英語：polarization density），又稱為電極化向量，定義為電介質內的電偶極矩密度，也就是單位體積的電偶極矩。這定義所指的電偶極矩包括永久電偶極矩和感應電偶極矩。它的國際單位制度量單位是庫侖每平方米（coulomb/m²），表示為向量 P。^[1]

定義

電極化強度 P 定義為電介質單位體積 V 內的電偶極矩 p 的平均值：^[2]

${\displaystyle \mathbf {P} ={\langle \mathbf {p} \rangle \over V}}$

可以理解為在材料區域內電雙級的強度和對齊程度。這個定義很容易推廣到解析定義，即電極化就是電偶極矩微元 dp 與體積微元 dV 的比值：

${\displaystyle \mathbf {P} ={d\mathbf {p} \over dV}}$

這反過來便能導出電極化的物體的電偶極矩的一般表現式：

${\displaystyle \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,dV}$

這表明 P-場與磁化強度 M-場是完全類似的：

${\displaystyle \mathbf {M} ={d\mathbf {m} \over dV},\quad \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,dV}$

對於由一個外加電場引起的 P 值的計算，必須已知電介質的電極化率 χ（見下文）。

束縛電荷

束縛電荷是束縛於電介質內部某微觀區域的電荷。這微觀區域指的是像原子或分子一類的區域。自由電荷是不束縛於電介質內部某微觀區域的電荷。電極化會稍微改變物質內部的束縛電荷的位置，雖然這束縛電荷仍舊束縛於原先的微觀區域，但這會形成一種不同的電荷密度，稱為「束縛電荷密度」${\displaystyle \rho _{bound}}$：

${\displaystyle \rho _{bound}=-\nabla \cdot \mathbf {P} }$。

注意剛才研究的是電偶極子中伸出界面的那部分，原微觀區域的束縛電荷符號相反，故有負號。^{[需要解釋]}

總電荷密度${\displaystyle \rho _{total}}$是「自由電荷密度」${\displaystyle \rho _{free}}$與束縛電荷密度的總和：

${\displaystyle \rho _{total}=\rho _{free}+\rho _{bound}}$。

在電介質的表面，束縛電荷以表面電荷的形式存在，其表面密度稱為「面束縛電荷密度」${\displaystyle \sigma _{bound}}$：

${\displaystyle \sigma _{bound}=\mathbf {P} \cdot {\hat {\mathbf {n} }}_{\mathrm {out} }}$；

其中，${\displaystyle {\hat {\mathbf {n} }}_{\mathrm {out} }\,}$是從電介質表面往外指的法向量。假若，電介質內部的電極化強度是均勻的，${\displaystyle \mathbf {P} }$是個常數向量，則${\displaystyle \rho _{bound}}$等於0，這電介質所有的束縛電荷都是面束縛電荷。

假設電極化強度含時間，則束縛電荷密度也含時間，因而產生了「電極化電流密度」${\displaystyle \mathbf {J} _{p}}$ (A/m²)：

${\displaystyle \mathbf {J} _{p}={\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$。

那麼，電介質的總電流密度${\displaystyle \mathbf {J} _{total}}$是

${\displaystyle \mathbf {J} _{total}=\mathbf {J} _{free}+\mathbf {J} _{bound}+\mathbf {J} _{p}=\mathbf {J} _{free}+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$；

其中，${\displaystyle \mathbf {J} _{free}}$是「自由電流密度」，${\displaystyle \mathbf {J} _{bound}}$是「束縛電流密度」，${\displaystyle \mathbf {M} }$是磁化強度。

「自由電流」是由外處進來的電流，不是由電介質的束縛電荷所構成的電流。「束縛電流」是由電介質束縛電荷產生的磁偶極子所構成的電流，一個原子尺寸的現象。

電極化強度與電場的關係

電極化強度${\displaystyle \mathbf {P} }$、電場${\displaystyle \mathbf {E} }$、電位移${\displaystyle \mathbf {D} }$，這三個向量的關係式為一個定義式^[3]：

${\displaystyle \mathbf {D} \ {\stackrel {def}{=}}\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$；

其中，${\displaystyle \varepsilon _{0}}$是電常數。

各向同性電介質

對於各向同性、線性電介質，電極化強度${\displaystyle \mathbf {P} }$和電場${\displaystyle \mathbf {E} }$的比例是電極化率${\displaystyle \chi _{e}}$^[4]：

${\displaystyle \mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi _{e}\mathbf {E} }$。

所以，電位移與電場成正比：

${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}(1+\chi _{e})\mathbf {E} =\varepsilon \mathbf {E} }$；

其中，${\displaystyle \varepsilon }$是電容率。

電極化強度${\displaystyle \mathbf {P} }$、電場${\displaystyle \mathbf {E} }$、電位移${\displaystyle \mathbf {D} }$，這三個向量的方向都一樣。另外，

${\displaystyle \nabla \cdot (\varepsilon \mathbf {E} )=\rho _{free}}$。

假設這電介質具有均勻性，則電容率${\displaystyle \varepsilon }$是常數：

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} =\rho _{free}/\varepsilon }$。

各向異性電介質

對於各向異性、線性電介質，電極化強度和電場的方向不一定一樣。電極化強度的第${\displaystyle i}$個分量與電場的第${\displaystyle j}$個分量的關係式為

${\displaystyle P_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{0}\chi _{ij}E_{j}}$；

其中，${\displaystyle \chi }$是電介質的電極化率張量。例如，晶體光學（crystal optics）就會研究到很多各向異性電介質晶體。

電磁學所講述的物理量大多都是巨觀的平均值，像電場平均值、偶極子密度平均值、電極化強度平均值等等，都是取於一個超大於原子尺寸的區域。只有這樣，科學家才能夠研究一個電介質的連續近似。而當研究微觀問題時，對於在電介質內的單獨粒子，其極化性跟電極化率平均值、電極化強度平均值的關係，可以用克勞修斯-莫索提方程式來表達。

假若電極化強度和電場不呈線性正比，則稱這電介質為非線性電介質。非線性光學可以用來描述這種電介質的性質。假設電場${\displaystyle \mathbf {E} }$足夠地微弱，不存在任何永久電偶極子，則電極化強度${\displaystyle \mathbf {P} }$可以令人相當滿意地以泰勒級數近似為

${\displaystyle P_{i}/\varepsilon _{0}=\sum _{j}\chi _{ij}^{(1)}E_{j}+\sum _{jk}\chi _{ijk}^{(2)}E_{j}E_{k}+\sum _{jk\ell }\chi _{ijk\ell }^{(3)}E_{j}E_{k}E_{\ell }+\cdots }$；

其中，${\displaystyle \chi ^{(1)}}$是線性電極化率，${\displaystyle \chi ^{(2)}}$給出波克斯效應（Pockels effect），${\displaystyle \chi ^{(3)}}$給出克爾效應（Kerr effect）。

對於鐵電材料，因為遲滯現象，${\displaystyle \mathbf {P} }$與${\displaystyle \mathbf {E} }$之間，不存在一一對應關係。

參閱

• 麥克斯韋方程組
• 克勞修斯-莫索提方程式
• 駐極體

參考文獻

1. McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd Edition), C.B. Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3
2. Electromagnetism (2nd Edition), I.S. Grant, W.R. Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-92712-9
3. Griffiths, David J., Introduction to Electrodynamics (3rd ed.), Prentice Hall: pp. 175, 179–184, 1998, ISBN 0-13-805326-X 引文格式1維護：冗餘文本 (link)
4. Jackson, John David, Classical Electrodynamic 3rd., USA: John Wiley & Sons, Inc.: pp. 151–154, 1999, ISBN 978-0-471-30932-1 引文格式1維護：冗餘文本 (link)