普通物理学第六版.ppt

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1、上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出7-8 7-8 静电场中的电介质静电场中的电介质电介质：电介质：电阻率很大电阻率很大,导电能力很差的物质。导电能力很差的物质。电介质的特征：电介质的特征：原子或分子中的电子与原子核结合力原子或分子中的电子与原子核结合力很强，电子处于束缚状态，一般可看作理想绝缘体。很强，电子处于束缚状态，一般可看作理想绝缘体。电介质的极化：电介质的极化：当电介质处于电场中达到静电平衡时，当电介质处于电场中达到静电平衡时，在电介质的表面层或电介质体内会出现电荷，这种现象在电介质的表面层或电介质体内会出现电荷，这种现象就叫电介质的极化。就叫

2、电介质的极化。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出*一一 电介质的电结构电介质的电结构 有极分子：有极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心不重分子的正电荷中心与负电荷中心不重合。它们相当于一对距离极近的等值异号点电荷，设合。它们相当于一对距离极近的等值异号点电荷，设它们的重心距离为它们的重心距离为l，等效电偶极矩为，等效电偶极矩为负电荷负电荷中心中心正电荷中心正电荷中心+H+HO 电介质分为两类电介质分为两类:有极分子电介质有极分子电介质和和无极分子电无极分子电介质。介质。方向：由负电荷中心指向正方向：由负电荷中心指向正电荷中心。电荷中心。上页上页 下页下

3、页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出OH HH H 无极分子：无极分子：分子的正电荷中分子的正电荷中心与负电荷中心重合。等效心与负电荷中心重合。等效电偶极矩为零。如氦、氮、电偶极矩为零。如氦、氮、甲烷的分子。甲烷的分子。水、氨、一氧化碳、氯化氢等分子即为有极分子。水、氨、一氧化碳、氯化氢等分子即为有极分子。HClHClH HClClH HH HH HN N有极分子电介质可看作大量电偶极子的聚集体有极分子电介质可看作大量电偶极子的聚集体，电，电偶极子方向杂乱无章的排列，所有电偶极子矢量和偶极子方向杂乱无章的排列，所有电偶极子矢量和为零，电介质呈电中性。为零，电介质呈电中性

4、。HeHHHCHCH4上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出*二二 电介质的极化电介质的极化1.1.无极分子电介质的位移极化无极分子电介质的位移极化 加上外电场后，在电场作用下无极分子电介质分加上外电场后，在电场作用下无极分子电介质分子正负电荷中心不再重合，发生相对移动子正负电荷中心不再重合，发生相对移动,出现分子出现分子电矩。对均匀电介质，和电场方向垂直的两个面将分电矩。对均匀电介质，和电场方向垂直的两个面将分别出现正负电荷，这些电荷不能离开电介质，也不能别出现正负电荷，这些电荷不能离开电介质，也不能在电介质中自由移动，称为在电介质中自由移动，称为束缚电

5、荷束缚电荷或或极化电荷极化电荷。这。这种在外电场作用下在电介质中出现极化电荷的现象叫种在外电场作用下在电介质中出现极化电荷的现象叫做做电介质的极化电介质的极化。无极分子的极化在于正负电荷中心。无极分子的极化在于正负电荷中心的相对位移，称为的相对位移，称为位移极化。位移极化。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出无外电场时无外电场时加上外电场后加上外电场后极化电荷极化电荷极化电荷极化电荷+上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出2.2.有极分子的取

6、向极化有极分子的取向极化 无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。介质不带电。在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致,这这种极化称种极化称有极分子的取向极化。有极分子的取向极化。+无外电场时无外电场时电矩取向不同电矩取向不同上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出+两端面出现两端面出现极化电荷层极化电荷层转向转向外电场外电场加上外场加上外场上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页

7、下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出单位体积内分子电矩的矢量和称为该点的电极单位体积内分子电矩的矢量和称为该点的电极化矢量，用化矢量，用 表示表示三、三、电极化强度电极化强度单位：单位：上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出+-四、四、电极化强度与极化电荷的关系电极化强度与极化电荷的关系 极化电荷是电介质极化产生的，对于均匀电介极化电荷是电介质极化产生的，对于均匀电介质，极化电荷只集中在表面层或两种不同的界面质，极化电荷只集中在表面层或两种不同的界面层里。电介质的极化强度必然和极化电荷之间存层

8、里。电介质的极化强度必然和极化电荷之间存在联系。在联系。设有一厚为设有一厚为l、表面积、表面积为为S的均匀电介质薄片的均匀电介质薄片放置在均匀电场放置在均匀电场E中。中。薄片总的电偶极矩是电薄片总的电偶极矩是电极化强度的大小与薄片极化强度的大小与薄片体积的乘积，即体积的乘积，即上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出因此，电介质薄片表面的极化电荷面密度就等于电因此，电介质薄片表面的极化电荷面密度就等于电极化强度的大小：极化强度的大小：上一结果假定了薄片表面与上一结果假定了薄片表面与 垂直，一般情况下，垂直，一般情况下，设设 为薄片表面单位法向矢量，则为薄片表

9、面单位法向矢量，则这相当于薄片表面的极化电荷这相当于薄片表面的极化电荷 与薄片两表面分开距与薄片两表面分开距离离 的乘积。即的乘积。即介质极化所产生的极化电荷面密度等于电极化强度介质极化所产生的极化电荷面密度等于电极化强度沿介质表面外法线的分量。沿介质表面外法线的分量。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出总电场总电场外电场外电场束缚电荷电场束缚电荷电场电极化强度与总电场的关系电极化强度与总电场的关系电极化率电极化率五、介质中的静电场五、介质中的静电场 空间任一点总电场空间任一点总电场由于电介质中，外电场与极化电荷的电场方向相反由于电介质中，外电场与极化电

10、荷的电场方向相反,所以电介质中的合场强总小于外场强。所以电介质中的合场强总小于外场强。服从上式极化规律的电介质叫各向同性线性电介质。服从上式极化规律的电介质叫各向同性线性电介质。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出电介质内电场电介质内电场两两“无限大无限大”极板间充有电极板间充有电极化率为极化率为 均匀电介质。均匀电介质。极板上自由电荷面密度为极板上自由电荷面密度为 ，介质表面极化电荷面密度为介质表面极化电荷面密度为 ，两板间电势差两板间电势差+所以所以上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 充满电介质时的电容为充满

11、电介质时的电容为 电介质内部场强减弱为外场的电介质内部场强减弱为外场的1/r，这一结论并，这一结论并不普遍成立，但是场强减弱却是比较普遍的。不普遍成立，但是场强减弱却是比较普遍的。电介质的介电常量或电容率电介质的介电常量或电容率 又又比较可得比较可得相对介相对介电常量电常量自由电荷和极化电荷激发的静电场特性相同，因而自由电荷和极化电荷激发的静电场特性相同，因而有电介质存在时，电场强度环路定理仍成立，即有电介质存在时，电场强度环路定理仍成立，即，这里的场强是介质中的合场强，这里的场强是介质中的合场强上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 取球心取球心O为原点

12、，取与为原点，取与 平平行的直径为球心轴线，由于轴行的直径为球心轴线，由于轴对称性，表面上任意点对称性，表面上任意点 的极的极化电荷面密度化电荷面密度 只和只和 角有关角有关(是是 点点 矢量和外法矢量和外法 线间线间的夹角的夹角)+例例题题7-287-28半半径径R 的的介介质质球球被被均均匀匀极极化化，极极化化强强度度为为 。求求：(1)(1)介介质质球球表表面面上上的的极极化化面面电电荷荷的的分分布布；(2)(2)极极化化面面电电荷荷在在球球心心处处激激发发的的电电场场强强度度。（3 3）若若该该介介质质是是放放在均匀的外电场中，求电介质球内的电场强度。在均匀的外电场中，求电介质球内的电

13、场强度。解：解：（1)球面上任一点球面上任一点上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出+（2）在球面上取环带在球面上取环带左半球面上左半球面上右半球面上右半球面上E 沿沿x轴负方向。轴负方向。在球心处的场在球心处的场上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出介质球放入前电场介质球放入前电场为一均匀场为一均匀场极化电荷的电场极化电荷的电场上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出介质球放入后电场线发生弯曲介质球放入后电场线发生弯曲+上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回

14、返回 退出退出 介质球内的场强已介质球内的场强已经在例题题中求出为经在例题题中求出为与与方向相反方向相反+靠近球的外部空间，上下区域，靠近球的外部空间，上下区域，合场强减弱；左右区域，合场合场强减弱；左右区域，合场强增强。强增强。故故上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出*六、铁电体六、铁电体 压电体压电体 永电体永电体铁电体铁电体铁电性：铁电性：电极化规律具有复杂的非线性，并且撤电极化规律具有复杂的非线性，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性。铁电性。铁电体：铁电体：具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒具有铁电

15、性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒石酸钾钠单晶。石酸钾钠单晶。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例题）电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例题）温度较高时，电极温度较高时，电极化强度与电场强度化强度与电场强度成正比。成正比。温度较低时，电极化强度与温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成后于电场强度的变化，形成电滞回线。电滞回线。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出压电体压电体某些离子型晶体的电介质，由于结晶点某些离子型晶体的电介质，由于结

16、晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，阵的有规则分布，当发生机械变形时，能产生电极化现象，称为压电现象。能产生电极化现象，称为压电现象。压电现象：压电现象：电致伸缩：电致伸缩：晶体在带电或处于电场中时，其大小发晶体在带电或处于电场中时，其大小发生变化，即伸长或缩短，是压电现象的生变化，即伸长或缩短，是压电现象的逆现象。逆现象。压电现象和电致伸缩的应用：压电现象和电致伸缩的应用：压电现象可用来变机械振动为电振荡，压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致伸缩可变电振荡为机械振动。电致伸缩可变电振荡为机械振动。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出永电体（驻极体）

17、永电体（驻极体）永电体：永电体：外界条件撤去后，能长期保留其极化状态，外界条件撤去后，能长期保留其极化状态，且不受外电场的影响的一类电介质。且不受外电场的影响的一类电介质。永电体的制备方法：永电体的制备方法：热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等永电体的应用：永电体的应用：永电体换能器（传感器）。永电体换能器（传感器）。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 选择进入下一节选择进入下一节7-0 教学基本要求教学基本要求7-1 物质的电结构物质的电结构 库仑定律库仑定律7-2 静电场静电场 电场强度电场强度7-3 静电场的高斯定律静电场的高斯定律7-4 静电场的环路定律静电场的环路定律 电势电势7-5 电场强度与电势梯度的关系电场强度与电势梯度的关系7-6 静电场中的导体静电场中的导体7-7 电容器的电容电容器的电容7-8 静电场中的电介质静电场中的电介质7-9 有电介质时的高斯定律有电介质时的高斯定律 电位移电位移7-10 静电场的能量静电场的能量