《电介质物理基础教程》为安徽省新时代育人质量工程项目（研究生教育）省级研宄生规划教材。《电介质物理基础教程》系统介绍了电介质物理的基础理论以及电介质极化、弛豫、电导与击穿等核心内容，旨在为读者提供扎实的理论基础。《电介质物理基础教程》共4章，第1章为电介质物理的基础理论，涵盖真空中的点电荷、静电场中的电介质等基本概念以及电介质的分类;第2章深入探讨了电介质的极化类型及其弛豫过程；第3章聚焦于电介质电导的不同机制，包括扩散电流、漂移电流、电荷注入及位移电流等；第4章对电介质击穿现象进行了讨论，涉及气体电介质和固体电介质的击穿机理。《电介质物理基础教程》配有思考题和参考文献，旨在帮助读者巩固学习内容。

目录
序
前言
第1章 电介质物理基础/1
1.1 真空中的点电荷/1
1.1.1 点电荷与库仑定律/1
1.1.2 电场强度与电势/2
1.1.3 电通量与高斯定理/7
1.1.4 电偶极子与极化强度/9
1.2 静电场中的电介质/10
1.2.1 电容与电容器/11
1.2.2 电位移矢量与高斯定理/15
1.2.3 静电场的能量与电容器储能/17
1.2.4 电介质中的有效电场/20
1.3 电介质的分类/32
思考题/34
参考文献/35
第2章 电介质的极化与弛豫/36
2.1 电介质的极化/36
2.1.1 电子位移极化/37
2.1.2 离子位移极化/38
2.1.3 偶极子转向极化/40
2.1.4 空间电荷极化/46
2.2 电介质的弛豫/49
2.2.1 共振型/50
2.2.2 弛豫型/51
思考题/59
参考文献/59
第3章 电介质的电导/61
3.1 扩散电流/61
3.1.1 菲克**定律/61
3.1.2 菲克第二定律/62
3.1.3 影响扩散系数的因素/62
3.2 漂移电流/63
3.2.1 离子电导/63
3.2.2 电子电导/67
3.3 电荷注入/71
3.3.1 热电子发射/71
3.3.2 场致发射/75
3.3.3 空间电荷限制电流/77
3.4 位移电流/79
3.4.1 热刺激极化电流/80
3.4.2 热刺激去极化电流/82
思考题/83
参考文献/83
第4章 电介质的击穿/84
4.1 气体电介质的电导和击穿/85
4.1.1 气体电介质的电导/85
4.1.2 气体电介质的击穿/87
4.2 固体电介质的击穿/96
4.2.1 电击穿/96
4.2.2 热击穿/99
4.2.3 电-机械击穿/105
4.2.4 局部放电击穿/106
思考题/108
参考文献/109

第1章电介质物理基础
　　材料对外加电场的响应有两种方式：一是材料内部自由载流子在电场作用下发生长程输运形成电流，在宏观上产生电导；二是材料内部载流子处于束缚状态，这些束缚载流子在电场作用下不能长程输运，只能在平衡位置发生微观位移，导致正负电荷分离形成电偶极子，在宏观上产生极化.所谓电介质，是指以极化的方式传递、存储、记录外电场作用和影响的物质.电介质在自然界中分布极广，其形态可以是气体、液体或固体.电介质物理学就是研究材料在电场及其他外部因素（如应力、温度等）作用下的电极化规律的学科.电介质的宏观性能不仅取决于材料内部电子、分子、原子等微观极化粒子的个体行为，还取决于极化粒子之间的相互作用，以及极化粒子与周围介质的相互作用.由于微观极化粒子数目庞大，极化粒子之间相互作用繁多，描述微观个体行为的量子力学、电动力学，以及描述宏观集体行为的统计物理、固体物理等科学规律，构成了电介质物理的理论基础.本章从静电场入手介绍电场、电势、电通量、电偶极子、极化强度、电介质有效场、电位移、电容器及其储能等电介质物理的基本概念和基础知识.
　　1.1真空中的点电荷
　　1.1.1点电荷与库仑定律
　　点电荷（point charge）是带电体的一种理想模型.对于研究的问题，如果带电体的形状、大小以及电荷分布可以忽略不计，这时可将带电体看作一个几何点，这样的带电体就是点电荷.一个实际的带电体能否看作点电荷，不仅与带电体本身有关，还取决于研究问题的性质和精度的要求.与质点、刚体等概念一样，点电荷是实际带电体的抽象和近似.这里特别值得一提的是，点电荷绝不像有些人认为的那样，一定是一个带有很少电量的带电体.点电荷可以是电量很小的带电体，也可以是电量很大的带电体.若相互作用的不是点电荷而是有限大带电体，则原则上可将带电体看成是由无限个点电荷元组成的连续点电荷系，然后再利用点电荷相互作用的库仑定律，通过求和或积分得到两带电体之间的相互作用力.
　　作为一种特殊情况，有时带电体的大小虽然在研究问题中不能忽略，但带电体形状比较规则，具有对称性，以至于电荷分布也具有对称性.这时，带电体对外所显示的电学特性往往跟一个等效点电荷的电学特性相同.于是，我们也可以把此带电体等效成一个点电荷来处理.例如，一个有限大均匀带电的球体，它在球外各点的电场和电势同一个与其带等量电荷、位置在其球心的点电荷所产生的电场一模一样.因此，在求球外任一点的电特性或求两带电球体的相互作用力时，我们把它们均看作电量全部集中在球心的点电荷.
　　库仑定律（Coulomb’s law）的定义：两个静止的点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方（r2）成反比，作用力的方向在它们的连线上，异性电荷相吸（图1.1（a）），同性电荷相斥（图1.1和（c））.
　　（1.1）
　　其中，r为两者之间的位置矢量；A为库仑常数（静电力常量）.在真空中，式中，为真空介电常量；在介质中，式中，为介质相对于真空的介电常量（无量纲），为介质的绝对介电常量（有量纲）.可见介质对电荷间的库仑相互作用有重要的影响.库仑定律适用于点电荷和静电场，不适用于电场的空间分布随时间变化的情况以及运动电荷，因为运动电荷除了激发电场外，还要激发磁场，此时，库仑力需要修正为电磁力，但实践表明，只要电荷的相对运动速度远小于光速，库仑定律给出的结果就与实际情形很接近.
　　1.1.2电场强度与电势
　　为了描述空间某点电场的强弱，在该点放入带电量很小的试探电荷，实验表明，试探电荷在该点所受电场力与其电荷量的比值是一个与试探电荷无关的量，该量是反映电场特征的物理量，该比值定义为该点的电场强度，简称场强，常用五表示，即
　　（1.2）
　　其方向为正的试探电荷受力的方向，单位是牛顿/库仑（N/C）.电场强度是描述电场强弱和方向的物理量，其空间分布可以用电场线（electric field line）形象地表示，电场线的特点有：
　　（1）始于正电荷，止于负电荷（或来自无穷远，去向无穷远）；
　　（2）任意两条电场线都不可能相交；
　　（3）静电场的电场线不闭合；
　　（4）电场强度大的地方电场线密集，电场强度小的地方电场线稀疏.
　　图1.2显示了正电荷、负电荷、正负电荷对周围空间的电场线分布.电场强度是矢量，满足矢量叠加原理.对由个点电荷，共同产生的电场，试探电荷在空间某点所受到的力为
　　（1.3）
　　则该点的电场强度为
　　（1.4）
　　如果电荷系统是连续分布的，则可将其分割成无数个电荷微元扣，每个微元都可当作点电荷处理，于是电荷系统在空间某点产生的电场强度可用如下积分来处理：
　　式中，r表示电荷微元dg的位置矢量.
　　电场线有起止，因此，静电场是有源场.试探电荷^）（设为正电荷）在点电荷
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　　（1.6）
　　从式（1.6）可见，电场力做功只与起点和终点有关，与路径和试探电荷电量无关，这与万有引力和弹性力做功类似，说明静电场力也是一种保守力.显然，如果再经过任意路径从b点回到a点，则在这一循环过程中，电场力做功为
　　（1.7）
　　由于试探电荷不为零，式（1.7）表明静电场的环路积分为零
　　（1.8）
　　这称为静电场的环路定理，说明静电场是一种保守场.类似于重力场中，重力对质点所做的功等于质点重力势能的变化.因此，可以引入电势能和电势的概念.在静电场中把试探电荷从a点移动到b点，电场力对它做的功等于试探电荷的电势能（electric potential energy，又称静电能）的变化量：
　　（1.9）
　　显然，试探电荷在电场中某点电势能的绝对值取决于零点势能的选择.当场源电荷为点电荷时，通常选取无限远处为电势能零点.根据式（1.9），若把6点选为无限远，即，则可得试探电荷在点的电势能为
　　（1.10）
　　式表明，试探电荷在点的电势能与试探电荷的带电量和电场均有关，
　　第1章
　　电介质物理基础
　　不是电场的本征属性，为了描述电场的本征属性，就必须把外来的非本征因素去掉，为此，引入电势（electric potential，又称为电位）的概念，其定义为：处于电场中某个位置的电荷所具有的电势能与它所带的电荷量之比.根据式（1.10），静电场点的电势为
　　（1.11）
　　可见，静电场中某点的电势取决于电场分布、场点位置和零势点的选取，与试探电荷无关，是描述静电场自身的特性.电场中a点的电势，在数值上等于单位正电荷在该点具有的静电能，或等于单位正电荷从a点沿任意路径移到无穷远处电场力所做的功.电势是标量，只有大小，没有方向，其单位为伏特（V）.从电势的定义式（1.11），试探电荷在a点的静电势能为
　　（1.12）
　　在静电场中任意两点a和6的电势之差称为a、6两点的电势差，通常也称为电压，用表示为
　　（1.13）
　　式（1.13）表明，静电场中任意a、6两点的电势差在数值上等于把单位正电荷从a点沿任意路径移到6点时，静电场力所做的功.该式用微分的形式表示就是
　　（1.14a）
　　引入梯度算符，进一步简化为
　　（1.14b）
　　式（1.14）表明，电场强度的方向是电势下降的方向，且电场强度与电势梯度成正比，即电场强度越大，在沿着电场线方向上，单位长度电势差越大，电场力做功就越多.因此，当任意点电荷从a点移到6点时，电场力所做的功可用a、6两点的电势差表不为
　　（1.15）
　　下面举几个计算电势的例子.
　　1.点电荷的电势
　　空间有一正点电荷求与它相距r的点a的电势.点电荷所激发的静电场，其电场强度分布为
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　　（1.16）
　　电场线以点电荷g为中心呈辐射状（图1.4（a）），因电场力做功与路径无关，所以选取如图1.4所示从g出发经过待求电势的场点a伸向无限远的射线作为积分路径是*方便的.设点电荷g到a点的距离为r，当取r方向时，根据式（1.11），a点的电势为
　　（1.17）
　　由此可见，在点电荷周围空间中任意一点的电势与该点离点电荷的距离r成反比（图1.4（b））.在正点电荷的电场中，各点的电势均为正值，在负点电荷的电场中，各点的电势均为负值.
　　图1.4点电荷电势.（a）点电荷电场中任意一点；（b）点电荷电势与距离的关系
　　2.点电荷系的电势
　　对于点电荷系，任意一点a的电势由场强叠加原理可知为
　　（1.18）
　　式中，为第个点电荷到a点的距离，即点电荷系的电场中某点的电势等于各个点电荷单*存在时在该点所激发的电势的代数和.这一结论称为静电场的电势叠加原理.