最新-参考静电场中的电介质-PPT精品课件.ppt
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1、7.57.5电位移矢量、有电介质时的高斯定律:电位移矢量、有电介质时的高斯定律:7.2 电介质的极化电介质的极化 第第7 7章章 静电场中的电介质静电场中的电介质 电介质电介质 电介质的极化电介质的极化7.37.3极化强度极化强度 极化电荷与极化强度的关系:极化电荷与极化强度的关系:7.47.4电介质的极化规律电介质的极化规律 退极化场退极化场EDr00CCrVeSdVSdD7.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。然而导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。然而也有一类物质电子被束缚在自身所属的原子核周围也有一类物质电子被束缚在自身所属的原子核周围或
2、夹在原子核中间,这些电子可以相互交换位置,或夹在原子核中间,这些电子可以相互交换位置,多少活动一些,但是不能到处移动,就是所谓的非多少活动一些,但是不能到处移动,就是所谓的非导体或绝缘体。绝缘体不能导电,但电场可以在其导体或绝缘体。绝缘体不能导电,但电场可以在其中存在,并且在电学中起着重要的作用。中存在,并且在电学中起着重要的作用。从电场这一角度看,特别地把绝缘体叫做电介质。从电场这一角度看,特别地把绝缘体叫做电介质。从它们在电场中的行为看:有位移极化和取向极化。从它们在电场中的行为看:有位移极化和取向极化。下面将逐一讨论。下面将逐一讨论。从电学性质看电介质的分子可分为两类:从电学性质看电介质
3、的分子可分为两类:无极分子、有极分子。无极分子、有极分子。第第7 7章章 静电场中的电介质静电场中的电介质7.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响 电介质电介质是由大量电中性是由大量电中性的分子组成的绝缘体。的分子组成的绝缘体。紧束缚的正负电荷在紧束缚的正负电荷在外场中要发生变化。外场中要发生变化。在外电场中电介质要受到电场在外电场中电介质要受到电场的影响,同时也影响外电场。的影响,同时也影响外电场。+QQ在以平行板电容器有电介质在以平行板电容器有电介质与无电介质时,极板上电压与无电介质时,极板上电压的变化为例说明的变化为例说明+QQ本章只限于讨论各向本章只限于讨论各向同性的均匀的电介质。
4、同性的均匀的电介质。静电计测电压插入电介质前后两极板间的电压分别用插入电介质前后两极板间的电压分别用V0、V表示,表示,它们的关系:它们的关系:01VVrr 是一个大于是一个大于 1 的常数,其大小随电介质的种类的常数,其大小随电介质的种类和状态的不同而不同,是电介质的特征常数称为和状态的不同而不同,是电介质的特征常数称为电介质的电介质的相对介电常数相对介电常数空气的空气的相对介电常数相对介电常数1.00059(0oC,1atm)上述实验表明:插入电介质后上述实验表明:插入电介质后两极板间电压减少,说明其间两极板间电压减少,说明其间电场减弱了。电场减弱了。01EEr电场减弱的原因可用电介质与外
5、电场电场减弱的原因可用电介质与外电场的相互影响,从微观结构上来解释。的相互影响,从微观结构上来解释。无极分子(无极分子(Nonpolar moleculeNonpolar molecule)在无外场作用下整个分子在无外场作用下整个分子无电矩无电矩。例如,例如,COCO2 2 H H2 2 N N2 2 O O2 2 H He e有极分子(有极分子(Polar moleculePolar molecule)在无外场作用下存在在无外场作用下存在固有电矩固有电矩例如,例如,H H2 2O Hcl CO SOO Hcl CO SO2 2 因无序排列对外不呈现电性。因无序排列对外不呈现电性。2 2 电介
6、质的分子:电介质的分子:1 1 电介质是由大量电中性的分子组成的绝缘体。电介质是由大量电中性的分子组成的绝缘体。紧束缚的正负电荷在外场中要发生变化。紧束缚的正负电荷在外场中要发生变化。一、电介质:一、电介质:7.2 电介质的极化电介质的极化 电子云的正电中心0E位移极化位移极化取向极化取向极化0E位移极化位移极化 Displacement polarization 主要是电子发生位移主要是电子发生位移3 3 电介质的极化电介质的极化:PolarizationPolarization取向极化取向极化 Orientation polarization 由于热运动这种取向只能是部分的,遵守统计规律。
7、由于热运动这种取向只能是部分的,遵守统计规律。l在外电场中的电介质分子在外电场中的电介质分子无极分子只有位移极化,感生电矩的方向沿外场方向。无极分子只有位移极化,感生电矩的方向沿外场方向。无外场下,所具有的电偶极矩称为无外场下,所具有的电偶极矩称为固有电偶极矩固有电偶极矩。在外电场中产生在外电场中产生感应电偶极矩感应电偶极矩(约是前者的10-5)。有极分子有上述两种极化机制。有极分子有上述两种极化机制。在高频下只有位移极化。在高频下只有位移极化。0E0E4 4 极化电荷极化电荷 Polarization charge or bound charge 0E0E在外电场中,均匀介质内部各处仍呈电中
8、性,但在在外电场中,均匀介质内部各处仍呈电中性,但在介质表面要出现电荷,这种电荷不能离开电介质到介质表面要出现电荷,这种电荷不能离开电介质到其它带电体,也不能在电介质内部自由移动。我们其它带电体,也不能在电介质内部自由移动。我们称它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由称它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。电荷能用传导方法将其引走。在外电场中,出现束缚电荷的现象叫做在外电场中,出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化电介质的极化。二、二、电极化强度电极化强度 PolarizationPolarization在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值,在宏观上测量
9、到的是大量分子电偶极矩的统计平均值,为了描述电介质在外场中的行为引入一个物理量:为了描述电介质在外场中的行为引入一个物理量:VpPieiVdeflim其中其中 是第是第i i个分子的电偶极矩个分子的电偶极矩eip单位是单位是 库仑库仑/米米2 2、C/mC/m2 2.1 1、电极化强度矢量电极化强度矢量以下将电极化强度矢量简称为极化强度以下将电极化强度矢量简称为极化强度束缚电荷就是指极化电荷。束缚电荷就是指极化电荷。2 2、极化(束缚)电荷与极化强度的关系:极化(束缚)电荷与极化强度的关系:可证明对于均匀的电介质,极化电荷集中在它的表面。可证明对于均匀的电介质,极化电荷集中在它的表面。电介质产
10、生的一切宏观效果都是通过未抵消的束缚电荷电介质产生的一切宏观效果都是通过未抵消的束缚电荷来体现。下面讲束缚电荷分布与极化强度的关系来体现。下面讲束缚电荷分布与极化强度的关系在介质中引入极化强度力线在介质中引入极化强度力线来描述它在外场中的极化。来描述它在外场中的极化。沿着此曲线取一长度为沿着此曲线取一长度为dldl在其在其内部极化可视为是均匀的。垂内部极化可视为是均匀的。垂直于此曲线的横截面直于此曲线的横截面dSdS组成一组成一个小圆柱体,因而该体元具有个小圆柱体,因而该体元具有电偶极矩电偶极矩 ,根据定义它可视为两端,根据定义它可视为两端具有具有 电荷的偶极矩电荷的偶极矩dSdlPdSdSd
11、ldldSP.l ddSdSP如果在电介质内任选一面如果在电介质内任选一面 的法线的法线 与与 成成 角角则:则:PdSn 表明:任选一面表明:任选一面 上上束缚电荷面密度束缚电荷面密度 等等于极化强度矢量在该于极化强度矢量在该面法线方向上的分量面法线方向上的分量 dSPPndSdlpiei)cos(ieildSdpnPdSdldldSP.dSPl dnPdSl dl ddSPnl dPndSdSSdPnP 在非均匀电介质中,有束缚在非均匀电介质中,有束缚电荷的积累。根据电荷守恒得:电荷的积累。根据电荷守恒得:0SSdP,00nP 在均匀电介质内部,束缚电荷彼此在均匀电介质内部,束缚电荷彼此抵
12、消,束缚电荷仅出现在介质表面。抵消,束缚电荷仅出现在介质表面。nPinsideSSSqdSSdP通常定义通常定义 为介质外法线方向。为介质外法线方向。n 00nPl ddSPn极化强度力线极化强度力线dSSdPinsideSSSqdSSdP在任一曲面内极化电荷的负值等于极化强度的通量。在任一曲面内极化电荷的负值等于极化强度的通量。ne2P1Pn21ePP)(P两种介质的交界面两种介质的交界面不均匀介质内部的极化电荷体分布不均匀介质内部的极化电荷体分布)(zPyPxPzyx1.极化电荷不能自由转移极化电荷不能自由转移,称为束缚电荷称为束缚电荷.在外场作用下极化在外场作用下极化电荷能电荷能移动移动
13、,产生极化电流;而束缚在绝缘体上的自由电荷产生极化电流;而束缚在绝缘体上的自由电荷则不能引起电流则不能引起电流.2.介质内无体分布的极化电荷并不要求介质一定是均匀极化介质内无体分布的极化电荷并不要求介质一定是均匀极化,即即P不一定是恒量不一定是恒量.只要介质是均匀的只要介质是均匀的,不论极化是否均匀不论极化是否均匀,一般在介质中都无体一般在介质中都无体极化电荷分布极化电荷分布.只有在介质中存在体分布的自由电荷的地方才会有体分布的只有在介质中存在体分布的自由电荷的地方才会有体分布的极化电荷极化电荷.3.极化电荷是在外场作用下产生的极化电荷是在外场作用下产生的,没有外场作用就不会有没有外场作用就不
14、会有极化电荷极化电荷(某些具有永久极化的介质如驻极体例外某些具有永久极化的介质如驻极体例外).说明说明例例7.2-1 一圆柱状电介质一圆柱状电介质,截面积为截面积为S,长为长为L,被沿着轴线被沿着轴线方向极化方向极化,已知极化强度已知极化强度P沿沿x方向方向,且且P=kx(k为比例常数为比例常数)坐标圆点取在圆柱的一个端面上坐标圆点取在圆柱的一个端面上,试求极化电荷的分布试求极化电荷的分布情况以及极化电荷的总量情况以及极化电荷的总量.解解:xyzoP极化电荷体分布极化电荷体分布kxPP即介质内均匀分布负的体极化电荷即介质内均匀分布负的体极化电荷.在在x=0端面上极化电荷面密度端面上极化电荷面密
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