电磁学静电场中的介质精选文档.ppt

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1、电磁学静电场中的介质本讲稿第一页，共五十一页+-4.1 4.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响一一.电介质的微观图象电介质的微观图象1.1.电介质：电介质：是由大量电中性的分子组成的绝缘体。是由大量电中性的分子组成的绝缘体。无极分子无极分子:无外电场作用时，正负电荷中心重合无外电场作用时，正负电荷中心重合,整个分子整个分子无固有电矩无固有电矩有极分子：有极分子：正负电荷中心不重合，相当于电偶极子正负电荷中心不重合，相当于电偶极子,存在存在固有电矩固有电矩2.2.电介质的分子：电介质的分子：例如，例如，CO2、H2、N2、O2、He例如，例如，H2O、Hcl、CO、SO2本讲稿第二页，共五

2、十一页1、无外场时、无外场时有极分子有极分子无极分子无极分子因无序排列对因无序排列对外总体不呈现外总体不呈现电性。电性。电中性电中性热运动热运动-紊乱紊乱2 2、有电场时有电场时 电介质分子的极化电介质分子的极化二、电介质分子对电场的影响二、电介质分子对电场的影响取向极化取向极化 取向极化取向极化有极分子的极化有极分子的极化电场电场由于热运动，这种取向只能是部分的，遵守统计规律。由于热运动，这种取向只能是部分的，遵守统计规律。本讲稿第三页，共五十一页无极分子的感应电矩约是有极分子固有电矩的无极分子的感应电矩约是有极分子固有电矩的1010-5-5，方向与外方向与外加电场相同，外电场越强，感生电矩

3、越大加电场相同，外电场越强，感生电矩越大。感生电矩感生电矩 位移极化位移极化无极分子的极化无极分子的极化电场电场+-本讲稿第四页，共五十一页三、极化电荷三、极化电荷结论：极化的总效果是介质边缘出现结论：极化的总效果是介质边缘出现电荷分布电荷分布称呼：称呼：由于这些电荷仍由于这些电荷仍束缚在每个分子中束缚在每个分子中，所以称之，所以称之为为束缚电荷束缚电荷或或极化电荷。极化电荷。外电场越强，电介质表面的束缚电荷越多外电场越强，电介质表面的束缚电荷越多本讲稿第五页，共五十一页3.描述极化强弱的物理量描述极化强弱的物理量-极化强度极化强度 单位单位一个分子的一个分子的电偶极矩电偶极矩定义定义无极分子

4、构成的电介质：无极分子构成的电介质：本讲稿第六页，共五十一页电极化强度随外电场的增大而增大电极化强度随外电场的增大而增大实验证明：实验证明：当电介质中的电场不太强时，各种当电介质中的电场不太强时，各种各向同性的电介质的电极化强度与场强成正比，各向同性的电介质的电极化强度与场强成正比，方向相同。方向相同。为电介质的相对介电常量为电介质的相对介电常量电介质的击穿电介质的击穿介电强度（介电强度（P74）本讲稿第七页，共五十一页四、四、电介质对电场的影响电介质对电场的影响自由电荷产生的场自由电荷产生的场束缚电荷产生的场束缚电荷产生的场为电介质的特征常为电介质的特征常数称为电介质的数称为电介质的相对介电

5、常数相对介电常数真空中：真空中：空气中：空气中：本讲稿第八页，共五十一页无限大均匀介质中点电荷的场：无限大均匀介质中点电荷的场：电介质的电介质的介电常数介电常数本讲稿第九页，共五十一页定义定义单位单位 C/m2各向同性线性介质各向同性线性介质无直接物理含义无直接物理含义一、一、电位移矢量电位移矢量e=ee=e0 0e er称为电介质的介电常数称为电介质的介电常数4.2有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理本讲稿第十页，共五十一页表达式：表达式：自由电荷代数和自由电荷代数和二、二、有有介质介质时的高斯定理时的高斯定理1）有介质时静电场的性质方程有介质时静电场的性质方程2）在解场方面的应用在解场方面

6、的应用思路思路在具有某种对称性的情况下在具有某种对称性的情况下 可以首先由高斯定理解出可以首先由高斯定理解出本讲稿第十一页，共五十一页其间充满相对介电常数为其间充满相对介电常数为 r的均匀的各向同性的均匀的各向同性的线性电介质。的线性电介质。求求:板间的场强。板间的场强。解解:均匀极化均匀极化 表面出现束缚电荷表面出现束缚电荷例例1、平行板电容器平行板电容器,自由电荷面密度为自由电荷面密度为0 0由有介质时的由有介质时的高斯定理，得高斯定理，得做如图所示高斯面做如图所示高斯面由由得得E0为无介质存为无介质存在时的场强在时的场强本讲稿第十二页，共五十一页4.3 4.3 电容器及其电容电容器及其电

7、容一一.孤立导体的电容孤立导体的电容孤立导体的电势孤立导体的电势导导体体的的一一个个重重要要性性质质就就是是具具有有一一定的容纳电荷的能力，称为电容。定的容纳电荷的能力，称为电容。+QR孤立导体球的电势孤立导体球的电势定义电容：定义电容：本讲稿第十三页，共五十一页2 2）SISI单位：法拉（单位：法拉（F F）1 1）电容只与几何因素和介质有关，）电容只与几何因素和介质有关，表示导体表示导体固有的容电本领固有的容电本领真空中半径为真空中半径为R R的孤立导体球的电容的孤立导体球的电容几何几何介质介质本讲稿第十四页，共五十一页欲得到欲得到 的电容的电容孤立导体球的半径孤立导体球的半径 R=?由孤

8、立导体球电容公式知：由孤立导体球电容公式知：问题问题由孤立导体作电由孤立导体作电容不经济！容不经济！真空中孤立导体球的电容真空中孤立导体球的电容本讲稿第十五页，共五十一页二、电容器及其电容二、电容器及其电容电容器：由两个相互隔开的金属导体组成，电容器：由两个相互隔开的金属导体组成，相对的两个面称为电容器的两个相对的两个面称为电容器的两个极板极板。极板极板当一个极板带电当一个极板带电Q时，由高斯定理知，时，由高斯定理知，另一极板带等量异号电量另一极板带等量异号电量-Q。Q-Q由实验知，两极板间由实验知，两极板间电势差电势差U=U+-U-Q定义电容器电容：定义电容器电容：与与Q、U无关无关本讲稿第

9、十六页，共五十一页典型的电容器典型的电容器平行板平行板电容器电容器 球形球形电容器电容器 柱形柱形电容器电容器本讲稿第十七页，共五十一页设设电容的计算电容的计算1、平行板电容器：平行板电容器：dS平行板电容器平行板电容器电容只与结构及介质有关电容只与结构及介质有关本讲稿第十八页，共五十一页2、球形电容器：同心的金属球和金属球壳、球形电容器：同心的金属球和金属球壳Q-Q本讲稿第十九页，共五十一页球形电容器电容球形电容器电容Q-Q电容只与结构及介质有关电容只与结构及介质有关特例当特例当本讲稿第二十页，共五十一页3.柱形电容器的电容柱形电容器的电容(LR2-R1)设单位长度带电量为设单位长度带电量为

10、柱形柱形 R2-R1)电容只与介质及电容器电容只与介质及电容器的结构有关的结构有关真空中孤立导体球的电容真空中孤立导体球的电容本讲稿第二十二页，共五十一页三、有介质时的电容器的电容三、有介质时的电容器的电容真空中：真空中：有介质时有介质时:电介质可增大电容量电介质可增大电容量!电容器中常用电介质的种类：纸介、云母、陶瓷、涤电容器中常用电介质的种类：纸介、云母、陶瓷、涤纶、独石、纶、独石、本讲稿第二十三页，共五十一页球形电容器：球形电容器：平行板电容器：平行板电容器：柱形电容器：柱形电容器：本讲稿第二十四页，共五十一页电容器的性能指标电容器的性能指标1、电容器的电容、电容器的电容2、电容器的耐压

11、能力、电容器的耐压能力当单个电容器不能满足实际电路需要时，可以把当单个电容器不能满足实际电路需要时，可以把几个电容器联结起来使用。几个电容器联结起来使用。电容器的两种基本联结方法电容器的两种基本联结方法串联串联并联并联本讲稿第二十五页，共五十一页四、电容器的串联和并联四、电容器的串联和并联 并联并联电容器的电容：电容器的电容：等效等效令令电容器并联电容增大，耐压能力受耐压电容器并联电容增大，耐压能力受耐压能力最小的那个电容限制能力最小的那个电容限制本讲稿第二十六页，共五十一页串联电容器的电容：串联电容器的电容：等效等效令令电容器串联耐压能力增大，电容减小电容器串联耐压能力增大，电容减小本讲稿第

12、二十七页，共五十一页并联电容器的电容等于并联电容器的电容等于各个电容器电容的和。各个电容器电容的和。串联电容器总电容的倒数串联电容器总电容的倒数等于各串联电容倒数之和。等于各串联电容倒数之和。当电容器的性能不被满足时，常用串并联使用来当电容器的性能不被满足时，常用串并联使用来改善。如串联使用可提高耐压能力改善。如串联使用可提高耐压能力;并联使用可以并联使用可以提高电容量。提高电容量。本讲稿第二十八页，共五十一页这里我们从电容器具有能量，这里我们从电容器具有能量，来说明电场的能量。来说明电场的能量。4.4电容器的能量和电场的能量电容器的能量和电场的能量电容器充放电的过程是能电容器充放电的过程是能

13、量从电源到用电器（如量从电源到用电器（如灯泡）上消耗的过程。灯泡）上消耗的过程。设充电完毕后，电容器的带电量为设充电完毕后，电容器的带电量为Q,Q,电压为电压为U U。则此时电容器具有的能量？则此时电容器具有的能量？本讲稿第二十九页，共五十一页电容器放电过程中电容器放电过程中,电量电量 在电场力的作用下，在电场力的作用下，从正极板到负极板，这微小过程中电场力作功为：从正极板到负极板，这微小过程中电场力作功为：所以储存在电容器中的能量为：所以储存在电容器中的能量为：电容器储存的能量电容器储存的能量本讲稿第三十页，共五十一页 电容器储存的能量与场量的关系电容器储存的能量与场量的关系 (以平行板电容

14、器为例以平行板电容器为例)本讲稿第三十一页，共五十一页结果讨论：结果讨论：电容器所具有的能量与极板间电容器所具有的能量与极板间E E有关，还与电场存有关，还与电场存在的空间有关，电场携带了能量。在的空间有关，电场携带了能量。电场的能量密度为：电场的能量密度为：对任意电场其能量为：对任意电场其能量为：本讲稿第三十二页，共五十一页例例 求导体球壳的电场能求导体球壳的电场能本讲稿第三十三页，共五十一页例：设想电量例：设想电量Q在真空中均匀分布在一个半径为在真空中均匀分布在一个半径为R的球体的球体内内，试计算其电场能量。，试计算其电场能量。球内空间球内空间球外空间球外空间本讲稿第三十四页，共五十一页本

15、讲稿第三十五页，共五十一页 电介质存在时电介质存在时电场的能量密度为：电场的能量密度为：对任意电场其能量对任意电场其能量为：为：本讲稿第三十六页，共五十一页有介质存在时，记住以下结论：有介质存在时，记住以下结论：本讲稿第三十七页，共五十一页例：一平板电容器面积为例：一平板电容器面积为S S，间距，间距d d，用电源充电，用电源充电后，两极板分别带电为后，两极板分别带电为+q q和和-q q，断开电源，再把断开电源，再把两极板拉至两极板拉至2 2d d，试求：试求：外力克服电力所做的功。外力克服电力所做的功。两极板间的相互作用力？两极板间的相互作用力？解解：根据功能原理可知，：根据功能原理可知，

16、外力的功等于系统能量的增量外力的功等于系统能量的增量电容器两个状态下所存贮的电容器两个状态下所存贮的能量差等于外力的功。能量差等于外力的功。初态初态末态末态本讲稿第三十八页，共五十一页若把电容器极板拉开一倍的距离，所若把电容器极板拉开一倍的距离，所需外力的功等于电容器原来具有的能需外力的功等于电容器原来具有的能量。量。2)极板带电不变，场强不变，作用力恒定极板带电不变，场强不变，作用力恒定本讲稿第三十九页，共五十一页两两导导体体球球A A、B B，半半径径分分别别为为R R1 1=0.5m,R=0.5m,R2 2=1.0m,=1.0m,中中间间以以导导线线连连接接,两两球球外外分分别别包包以以

17、内内半半径径为为R=1.2mR=1.2m的的同同心心导导体体球球壳壳(与与导导线线绝绝缘缘)并并接接地地,导导体体间间的的介介质质均均为为空空气气。已已知知：空空气气的的击击穿穿场场强强为为3103106 6V/mV/m，今今使使A A、B B两两球球所所带带电电量量逐逐渐增加，计算：渐增加，计算：(1)(1)此系统何处首先被击穿？此系统何处首先被击穿？(2)(2)击穿时两球所带的总电量击穿时两球所带的总电量Q Q为多少？（设导线本为多少？（设导线本身不带电，且对电场无影响身不带电，且对电场无影响 作业P69 5本讲稿第四十页，共五十一页1.C1 和和 C2 两空气电容器并联起来接上电源充电两

18、空气电容器并联起来接上电源充电.然后将然后将电源断开，再把一电介质插入电源断开，再把一电介质插入 C1 中，则中，则 C (A)C1 和和 C2 极板上电量都不变极板上电量都不变.(B)C1极板上电量增大，极板上电量增大，C2极极板上的电量不变板上的电量不变.(C)C1极板上电量增大，极板上电量增大，C2极板极板上的电量减少上的电量减少.(D)C1极板上的电量减少极板上的电量减少,C2极极板上电量增大板上电量增大.断电后总电量守恒，两电容器电压相等断电后总电量守恒，两电容器电压相等本讲稿第四十一页，共五十一页2.C1 和和 C2 两空气电容器串联起来接上电源充电两空气电容器串联起来接上电源充电

19、,保持电源联接保持电源联接,再把一电介质板插入再把一电介质板插入 C1 中中,则则 A(A)C1上电势差减小上电势差减小,C2上电量增大；上电量增大；(B)C1上电势差减小上电势差减小,C2上电量不变；上电量不变；(C)C1上电势差增大上电势差增大,C2上电量减小；上电量减小；(D)C1上电势差增大上电势差增大,C2上电量不变。上电量不变。串联电量相同串联电量相同本讲稿第四十二页，共五十一页3.C1 和和 C2 两两个个电电容容器器，其其上上分分别别表表明明200pF（电电容容量量）、500v（耐耐压压值值）和和300pF、900v把把它它们们串串联联起起来来在在两两端端加上加上1000V电压

20、，则电压，则(A)C1被击穿被击穿,C2不被击穿；不被击穿；(B)C2被击穿被击穿,C1不被击穿；不被击穿；(C)两者都被击穿；两者都被击穿；(D)两者都不被击穿。两者都不被击穿。C 本讲稿第四十三页，共五十一页4 4一平行板电容器充电后，与电源断开，然后再充满一平行板电容器充电后，与电源断开，然后再充满相对介电常数为相对介电常数为 的各向同性均匀电介质。则其电容的各向同性均匀电介质。则其电容C C、两板间电势差两板间电势差U U1212及电场能量及电场能量WeWe与充介质前比较将发生如与充介质前比较将发生如下变化：下变化：（A）C U12 We (B)C U12 We (C)C U12 We

21、 (D)C U12 We(B)本讲稿第四十四页，共五十一页5.真空中有一不带电的导体球，现在把电量为真空中有一不带电的导体球，现在把电量为q的点电的点电荷放在球外离球心为荷放在球外离球心为a处，求导体球的电势。处，求导体球的电势。本讲稿第四十五页，共五十一页6.一球形导体一球形导体,带电量带电量 q,置于一任意形状的空腔导置于一任意形状的空腔导体中体中,当用导线将两者连接后当用导线将两者连接后,则与末连接前相比系则与末连接前相比系统静电能能将统静电能能将 C(A)不变；不变；(B)增大；增大；(C)减小；减小；(D)如何变化无法确定。如何变化无法确定。本讲稿第四十六页，共五十一页7.同心导体球

22、与导体球壳周围电场的电力线分布如图同心导体球与导体球壳周围电场的电力线分布如图所示，由电力线分布情况可知球壳上所带总电量为：所示，由电力线分布情况可知球壳上所带总电量为：(D)无法确定。无法确定。C 本讲稿第四十七页，共五十一页8 8金属球金属球A A与同心球壳与同心球壳B B组成电容器，球组成电容器，球A A上带电荷上带电荷q q，壳壳B B上带电荷上带电荷Q Q，测得球与壳间电势差为，测得球与壳间电势差为U UABAB，可知该电容，可知该电容器的电容值为：器的电容值为：(B)(C)(D)（A）(A)本讲稿第四十八页，共五十一页9 9 半半径径分分别别为为R R和和r r的的两两个个金金属属

23、球球，相相距距很很远远，用用一一根根细细长长导导线线将将两两球球连连接接在在一一起起并并使使它它们们带带电电，在在忽略导线的影响下，两球表面的电荷面密度之比忽略导线的影响下，两球表面的电荷面密度之比 为：为：（A）（B）（C）（D）（D）本讲稿第四十九页，共五十一页10.真空中有一均匀带电球体和一均匀带电球面真空中有一均匀带电球体和一均匀带电球面,如果它们的半径和所带的电量都相等如果它们的半径和所带的电量都相等,则它们的静则它们的静电能之间的关系是：电能之间的关系是：B （A A）球体的静电能等于球面的静电能；球体的静电能等于球面的静电能；（B B）球体的静电能大于球面的静电能；球体的静电能大于球面的静电能；（C C）球体的静电能小于球面的静电能；球体的静电能小于球面的静电能；（D D）无法比较。无法比较。本讲稿第五十页，共五十一页11.11.半半径径为为R R的的金金属属球球，接接电电源源充充电电后后断断开开电电源源，这这时时它它储储存存的的电电场场能能量量为为510510-5-5J J。今今将将该该球球与与远远处处一一个个半半径径也也是是R R的的导导体体球球B B用用细细导导线线连连接接，则则A A球球储储存存的的电电场场能能量量变为变为.电量守恒：电量守恒：Q Q/2 C不变，WQ2/2C W/41.2510-5J本讲稿第五十一页，共五十一页