物理静电场中的电介质.pptx

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1、1 1.导体p导电能力极强的物体p金属导体中存在着大量的自由电子2.绝缘体(电介质)(如:He)p导电能力极弱或不能导电的物质p分子中电子被束缚得非常紧，电子只能在原子核附近运动，不能自由运动p理想电介质是良好的绝缘体，内部无自由电子,具有束缚电荷第1页/共51页2物质具有电结构当物质处于静电场中 场对物质的作用：对物质中带电粒子作用物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用的响应带电粒子重新分布后，使周围空间的电场发生变化。第2页/共51页3导体、半导体和绝缘体有着不同的电结构 不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后果，在静电场中具有各自的特性。导体中存在着大量的自由电子静电感应

2、绝缘体中的自由电子非常稀少极化第3页/共51页41.电介质的极化 相对介电常数播放动画法拉第试验：静电计测电压介介质质电场被削弱：相对介电常数第4页/共51页5保持条件不变，插入导体。静电计指示两板电位差减小。导导体体如何解释上述实验结果？dd第5页/共51页6 表面出现电荷“束缚电荷”束缚电荷的电场E不能全部抵消E0，只能削弱总场E.+-+-机制与导体有何不同机制与导体有何不同？介质情况电介质极化：电介质在电场作用下，其表面甚至内部出现极化电荷的现象叫做电介质的极化第6页/共51页7电介质分子偶极子模型分子是电中性的，分子可看作一个电偶极子，电介质可看作大量电偶极子的集合。每个分子负电荷对外

3、影响等效为一个静止的负电荷的作用。其大小为分子中所有负电之和，这个等效负电荷的作用位置称为分子的“负电重心”。所有正电荷的作用等效一个静止正电荷的作用，等效正电荷的位置称为“正电重心”。第7页/共51页8E偶极子在外场中受的力矩和电势能+q-qlF-F+非均匀电场中 F 0（但一般 l 很小，E 近似均匀）=0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态 均匀电场中合力：F=0力矩：能量：W第8页/共51页9有极分子：正负电荷重不重合无极分子：正负电荷重心完全重合（H2、N2、CH4等）电介质分类(H2O、HCl).OHH第9页/共51页10有极分子：正负电荷重不重合无极分子：正负电荷重心完全重合（H2、

4、N2、CH4等）微观：固有电偶极矩 p0，(l=0)宏观：中性不带电(H2O、HCl)微观：固有电偶极 矩p 0，(l 0)宏观：中性不带电 第10页/共51页11无极分子的位移极化第11页/共51页无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电加外电场：产生感生电偶极矩+极化的效果：端面出现束缚电荷第12页/共51页13有极分子的取向极化第13页/共51页无外电场：固有电偶极矩热运动，混乱分布，介质不带电。+加外电场：外场取向与热混乱运动达到平衡。+极化的效果：端面出现束缚电荷第14页/共51页15l在外电场中的电介质分子有两种极化机制.无极分子只有位移极化无外场时所具有的电矩称为固有电矩。在外电场

5、中产生感应电矩（约是前者的1010-5-5)。有极分子有上述两种极化机制。不过在静电场中,主要是取向极化;在高频下只有位移极化。第15页/共51页16无极分子和有机分子极化，微观机理不同，但宏观结果相同，效应相同各向同性均匀介质极化，只在表面上产生面束缚电荷非各向同性均匀电介质，还可产生体束缚电荷第16页/共51页17极化强度极化前：介质内极化后：在其内部任意一宏观体积 V内单位C/m定义：定义：介质中某一点的电极化强度矢量等于这一点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。描述电介质极化物理量第17页/共51页18物理意义：表征介质在外电场作用下被极化的强弱程度 反映分子电矩的大小和空间有序化程度

6、是一个是一个宏观宏观矢量点函数，矢量点函数，介质中每一点介质中每一点有唯一的极化强度，有唯一的极化强度，微观值无意义微观值无意义 宏观点是指宏观足够小，而微观足够大的宏观点是指宏观足够小，而微观足够大的物体小体积，可近似于一个几何点。物体小体积，可近似于一个几何点。真空中或导体内真空中或导体内 第18页/共51页19极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏观的极化电荷可能出现在介质表面（均匀介质）可能出现在整个介质中（非均匀介质）电介质产生的一切宏观后果都是通过极化电荷来体现的。极化电荷第19页/共51页20极化电荷会产生电场附加场（退极化场）极化电荷产生的场外场：真空中电场，既无介质时场附加电

7、场不能完全抵消外电场（与导体不同）极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互制约，过程复杂达到平衡（不讨论过程）平衡时总场决定了介质的极化程度介质中总电场第20页/共51页21极化的后果 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 极化，之间必有联系，这些关系电介质极化遵循的规律第21页/共51页电极化强度P P 总场强E E 电极化率（介质性质，与场无关）介质中的总场强(外电场束缚电荷电场)相对介电常数只讨论各向同性、线性电介质。方向相同（各向同性），成正比（线性）第22页/共51页n n 单位体积内的分子数 每个分子的正电荷重心相对于其负电荷重心都有一个位移l，各个分子的感应电矩都相同，电介质的极

8、化强度为 以位移极化为例：束缚电荷面密度与极化强度的关系第23页/共51页电介质表面表面 dS 出现的束缚电荷：出现的束缚电荷：束缚电荷面密度：第24页/共51页25 为电介质表面极化电荷的面密度 为极化强度矢量与外法线方向的夹角。通常定义介质外法线方向为正。020202=ppp第25页/共51页26极化强度矢量P P经整个闭合面S S的通量等于因极化穿出该闭合面的极化电荷总量 Q普遍规律dSPV Q介质介质内内Ss s根据电荷守恒定律，穿出S S的极化电荷等于S S面内净余的等量异号极化电荷 Q 极化电荷极化电荷与极化强度的关系与极化强度的关系第26页/共51页27介质中的高斯定理描述极化的

9、几个物理量互相影响、互相制约，一个知道则都知道，而一个不知道均不知道 第27页/共51页E E 的高斯定理：束缚电荷，代入移项得，代入移项得束缚电荷自由电荷,总场强,电电介介质质自由自由电荷电荷Sq0内q 内第28页/共51页定义(引入)电位移矢量：D 的高斯定理：通过任意封闭曲面的电位移矢量的通量，等于该封闭面所包围的自由电荷的代数和，与极化电荷无关第29页/共51页 所以，D的分布一般也和束缚电荷有关。因为 ,其中E是所有电荷共同产生的，P 与束缚电荷有关。各向同性、线性介质 D、E、P 的关系第30页/共51页31有介质时D的通量与闭合面内自由电荷的关系理论地位：描述场的性质，有源无旋

10、不仅适用于介质，也适用于真空。高斯面上任一点D D是由空间总的电荷的分布决定的，不能认为只与面内自由电荷有关可以用来计算某些场分布（由对称性决定）利用D-GaussD-Gauss定理按以下路径求 第31页/共51页有电介质时电场、束缚电荷的计算第32页/共51页33电位移线及其特点：电位移线有方向曲线，它满足（1 1）其切向就是电位移的方向，（2 2）其密度等于电位移的大小。电位移通量穿过某一有向曲面的电位移线的条数。由电介质中的高斯定理，我们可以知道：电位移线总是起始于自由正电荷终止于自由的负电荷。第33页/共51页34 的比较定义：单位：通量：场线：第34页/共51页35例1 1 求相对介

11、电常数为 r的无限大均匀电介质中点电荷q的场分布用D-GaussD-Gauss定理，球对称场，作球形GaussGauss面 n 介质内场强削弱了介质内场强削弱了 倍倍第35页/共51页36例2：两块靠近的平行金属板间距为 d,极板面积为 S，面电荷密度分别为 0 和-0,其间插有厚度为 d、电容率为 r 的电介质。求：.P1、P2点的场强E；.两金属板间电势差第36页/共51页37解：.过 P1 点作高斯柱面,左右底面分别经过导体和 P1 点。高高斯斯面面导体内 D=0第37页/共51页38过P2点作高斯柱面,左右底面分别经过导体和P2点。高高斯斯面面第38页/共51页39I区：II区：.电势

12、差U第39页/共51页40 例3 把一块相对电容率r=3的电介质，放在相距d=1 mm的两平行带电平板之间.放入之前，两板的电势差是1 000 V.试求两板间电介质内的电场强度E，电极化强度P，板和电介质的电荷面密度，电介质内的电位移D.d+-U第40页/共51页41解d+-Ur=3，d=1 mm，U=1 000 V第41页/共51页42d+-Ur=3，d=1 mm，U=1 000 V第42页/共51页43 例4 图中是由半径为R1的长直圆柱导体和同轴的半径为R2的薄导体圆筒组成，其间充以相对电容率为r的电介质.设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为+和-.求(1)电介质中的电场强度、电位移和极化强度；(2)电介质内外表面的极化电荷面密度.第43页/共51页44解(1)r第44页/共51页45(2)r第45页/共51页46 例 5 一半径为a的导体球,被围在内半径为b、外半径为c，相对介电系数为r 的介质同心球壳内，若导体球带电荷量为Q，求 D(r)，E(r)和导体表面电势.abcQr第46页/共51页47解abcQr第47页/共51页48abcQr第48页/共51页49abcQr第49页/共51页50带静电的梳子为什么能吸引水柱？第50页/共51页51谢谢您的观看！第51页/共51页