8-.2.4.5电场中的电介质 电容电场能量.ppt

一、电介质一、电介质 电介质电介质:分子中的正负电荷束缚很紧，介质内部分子中的正负电荷束缚很紧，介质内部几乎没有自由电荷。几乎没有自由电荷。静电场中的电介质静电场中的电介质(选学选学)=C C-HH+HH+HH+HH+CHCH4 4-q q+q q=OO-HH+HH+HH2 2OO无极分子无极分子有极分子有极分子二二 电介质的极化电介质的极化无极无极分子电介质分子电介质(位移极化位移极化)：（氢、甲烷、石蜡等）：（氢、甲烷、石蜡等）有极有极分子电介质分子电介质(取向极化取向极化,位移极化位移极化)：（水、氯化氢、：（水、氯化氢、有机玻璃等）有机玻璃等）在高频下只有位移极化在高频下只有位移极化 在在外外电电场场的的作作用用下下，介介质质表表面面产产生生电电荷荷的的现现象象称称为为电电介介质质的的极极化化。在在其其表表面面上上出出现现的的电电荷荷叫叫做做“极极化电荷化电荷”。电介质的极化的结果：电介质的极化的结果：电介质的极化的结果：电介质的极化的结果：电介质的极化电介质的极化电介质的极化电介质的极化：极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消，它只能削弱外电场。电场完全抵消，它只能削弱外电场。介质内部的总场介质内部的总场强不为零！强不为零！无论位移极化或取向极化，其无论位移极化或取向极化，其宏观效果宏观效果是相同是相同的，都导致的，都导致电介质的两端面上出现了异号的极化电电介质的两端面上出现了异号的极化电荷荷。而且外电场越强，出现的极化电荷越多。而且外电场越强，出现的极化电荷越多。因此，从宏观上描述电介质的极化现象时，就因此，从宏观上描述电介质的极化现象时，就不把这两类电介质分开讨论。不把这两类电介质分开讨论。+-三三 电介质对电容的影响电介质对电容的影响 相对电容率相对电容率相对相对电容率电容率电容率电容率+-空气的相对介电常数空气的相对介电常数1.00059(0，1 atm）82 电容电容 电容器电容器一、孤立导体的电容一、孤立导体的电容例如例如 孤立的导体球的电容孤立的导体球的电容 地球地球孤立导体的电容与导体的形状有关，与其带电量和电孤立导体的电容与导体的形状有关，与其带电量和电势无关。势无关。电容单位电容单位法拉法拉(F)二、电容器二、电容器1、电容器的定义、电容器的定义1BAQ+-Q-空空腔腔导导体体B与与其其腔腔内内的的导导体体A组组成成的的导导体体系系，叫叫做做电电容容器器，A、B为为电电容容器器的的两两极极板板，导导体体A、B相相对对两两表表面面上上所带的等值异号的电荷量为电容器所带的电量。所带的等值异号的电荷量为电容器所带的电量。电容的大小仅与导体的电容的大小仅与导体的形状形状、相对位置相对位置、其间的、其间的电电介质介质有关有关.与所带电荷量与所带电荷量无关无关.犹如水桶的容积与是否盛水无关犹如水桶的容积与是否盛水无关。2、电容器的电容、电容器的电容22）计算极板间的电势差：）计算极板间的电势差：1）设电容器充电）设电容器充电 q，求极板间的场强分布：求极板间的场强分布：3）由电容器电容定义计算）由电容器电容定义计算 电容：电容：5、电容器电容的计算、电容器电容的计算3平行板电容器平行板电容器 板间电场：板间电场：板间电势差：板间电势差：电容：电容：+qqAB+d 很小很小,S 很大很大,设电容器两极设电容器两极板带电板带电 q；解解：SdE球形电容器球形电容器解：两极板间电场解：两极板间电场板间电势差板间电势差R1R2o电容电容+q-q孤立导体球电容孤立导体球电容圆柱形电容器圆柱形电容器解：设两极板带电解：设两极板带电 q 板间电场板间电场 l(l R2 R1)板间电势差板间电势差圆柱形电容器的电容圆柱形电容器的电容R1R2*三三 电容器的串联和并联电容器的串联和并联电容器的并联电容器的并联电容器的串联电容器的串联并联并联串串联联开关倒向开关倒向a，电容器充电。，电容器充电。开关倒向开关倒向b，电容器放电。，电容器放电。灯泡发光灯泡发光电容器释放能量电容器释放能量电源提供电源提供电容器带有电量电容器带有电量Q，相应电势差为，相应电势差为U 时所具有的能时所具有的能量多大呢量多大呢?85 静电场的能量静电场的能量一、电容器的电能一、电容器的电能 充电过程，使电容器的两极充电过程，使电容器的两极板分别带上等量的正负电荷，这板分别带上等量的正负电荷，这相当于将某一极板上的电荷拉到相当于将某一极板上的电荷拉到另一极板上。这是电荷在两极板另一极板上。这是电荷在两极板间的搬迁过程。间的搬迁过程。搬迁过程中，随着极板上电搬迁过程中，随着极板上电荷的累积，要做的功越来越大，荷的累积，要做的功越来越大，这就像粮仓中粮食的囤积过程，这就像粮仓中粮食的囤积过程，粮越来越高，再往上倒，就越来粮越来越高，再往上倒，就越来越困难。越困难。任任一一时时刻刻终终了了时时刻刻 电容器中的能量是在充电过电容器中的能量是在充电过程中建立起来的。程中建立起来的。显然，到某时刻，已搬迁了电显然，到某时刻，已搬迁了电荷荷 q(t)后，再搬迁后，再搬迁dq，电源需，电源需对电容器做功对电容器做功dA整个搬迁过程需做功整个搬迁过程需做功 毫无疑义，电源做的这些功，就是储存在毫无疑义，电源做的这些功，就是储存在电容器中的能量。电容器中的能量。电容器所储存的静电能电容器所储存的静电能任任一一时时刻刻二、静电场的能量二、静电场的能量 能量密度能量密度1、真空中静电场的能量、真空中静电场的能量2、真空中电场的能量密度、真空中电场的能量密度(单位体积内的能量单位体积内的能量)物理意义物理意义电场是一种物质，它具有能量电场是一种物质，它具有能量.电场能量密度电场能量密度电场空间所存储的能量电场空间所存储的能量 介质中静电场的能量介质中静电场的能量 能量密度能量密度电场能量密度电场能量密度例例1、球形电容器的内、外半径分别为、球形电容器的内、外半径分别为R1和和R2，所带的所带的电量为电量为Q。若在两球之间为真空，问此电容器电场的若在两球之间为真空，问此电容器电场的能量为多少。能量为多少。解：由高斯定理可求得球解：由高斯定理可求得球壳间的电场强度的大小为壳间的电场强度的大小为 其体积为其体积为dV=4r2dr。所以此体积元内的电场的能量为所以此体积元内的电场的能量为rdrR2R1取半径为取半径为r、厚为、厚为dr的球壳的球壳,另解另解：由高斯定理可求得球：由高斯定理可求得球壳间的电场强度的大小为壳间的电场强度的大小为电场总能量为电场总能量为比较均匀带电球面和均匀带电球体所储存的能量。比较均匀带电球面和均匀带电球体所储存的能量。课堂讨论课堂讨论例：例：如图所示的平行板电容器，如图所示的平行板电容器，求：求：电容。电容。解：解：设两极板分别带电面密度为设两极板分别带电面密度为 ,板间介质中的电场：板间介质中的电场：两板间的电势差：两板间的电势差：由定义式由定义式该电容器的电容：该电容器的电容：r rt td dS SA AB B板间真空中的电场：板间真空中的电场：-+若插入厚度为若插入厚度为 t 的铜板呢的铜板呢?