第8章-电学6.ppt

5.电容器的两个主要指标 电容、耐压能力 电介质的击穿 在强电场作用下，电介质分子中的正负电荷变成可以自由移动的电荷，电介质变为导体。 击穿场强：电介质材料所能承受的不被击穿的最大场强。也叫介电强度。 电容器是一种常用的电工和电子学元件。 如：在交流电路中电流和电压的控制； 发射机中振荡电流产生； 接收机中的调谐； 整流电路中的滤波等等。 6.电容器的应用 解：(1)由高斯定理 例2：半径为R1的金属球电量为q，外面同心地放置一内外半径分别为R3和R4的金属球壳，它本身带电为Q。两者之间有一层内外半径分别为R2和R3的电介质，相对介电常数为 。求： (1)内球电势； (2)内外球电势差； (3)把外球壳接地，求该电容器电容。 R1 R2 R3 R4 内球电势： R1 R2 R3 R4 (2) (3) 外球接地，外球内表面带电q R1 R2 R3 R4 例3：如图所示，求该电容器的电容。若把电介质板换成尺寸相同的金属板，结果又如何。 时， 解：在缝中 在电介质中 两板电势差： d l S S 若把电介质板换成金属板，在缝内 在金属板内 两板电势差 电介质板换成金属板后，电容增大了，但为了绝缘，仍需放电介质。 d l S S 8.5.1 电容器的能量(Energy Stored in Capacitors) 8.5 静电场的能量(Electric Field Energy) C +q -q -dq C B K a b 充电 放电 电场能量密度： 8.5.2 静电场的能量、能量密度 以平行板电容器为例 解：两极面间的电场大小为： 在电场中取体积元： 则在dV中的电场能量为： 例1：一圆柱形电容器，两个极面的半径分别为R1和R2，两极面间充满相对介电常数为 的电介质。求此电容器带有电量Q时所储存的电能。 R1 R2 与前面计算结果同 R1 R2 例2：孤立导体球的电场能 与前面计算结果同 R 例3：求空气中平行板电容器两板间相互作用力。 解: 设极板电荷面密度为 ，极板面积为S，两板间距离为d。把两板间的距离由d缓慢拉大到 ，外力所做的功为： 根据功能原理，外力所做的功等于电容器储存电能的增量： 外力等于两极板间的吸引力，所以两极板间相互作用力为： 既不是 ，也不是 。 * 8.2.1 电介质对电场的影响 电介质(Dielectric)的主要特征： 电子处于束缚状态，几乎不存在可以自由移动的电荷。 本章研究： 各向同性的理想的电介质，其内部没有可以自由移动的电荷。也称为绝缘体。 一、两种电容器加相同电压 + + + + - - - - + + + + + + - - - - - - 电介质 空气 电荷多 8.2 静电场中的电介质 二、两种电容器带相同电荷 + + + + - - - - + + + + - - - - 电介质 空气 d 相对介电常量，大于1。 ： d 真空 ?r= 1 空气(0℃,1atm) ?r= 1.00059 纯水(0℃,1atm) ?r= 80.2 玻璃 ?r= 5—10 钛酸钡 ?r= 103—104 ?r 标志电介质对静电场影响的程度，是反映物质电学性能的一个重要参数。 静电计偏转小 8.2.2 电介质的极化(Polarization) 一、电介质的极化现象 1.束缚电荷(Bound Charge)：电介质在电场的作用下，表面上出现的电荷不能脱离分子，不能作宏观移动，叫束缚电荷。 2.电介质的极化：在外电场的作用下，电介质表面出现束缚电荷的现象(均匀电介质)，叫做电介质的极化。 + + + + + - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - Q -Q Q’ -Q’ 问题：为什么电介质电场强度会减少到真空时的1/ ?r ? 二、电介质极化的微观解释 1.两种电介质 H+ H+ H+ H+ C-4 无极分子：CH4 ? 有极分子：H2O H+ H+ O-- ? ? 电介质 H2, CO2, CH4, He等 无极分子电介质 H2O, NH3, 有机酸等 有极分子电介质 无外场时： 有极分子 无极分子 电中性 热运动 电介质的微观结构： + - 分子电偶极距： q：分子中正电荷或负电荷的电量的数值。 ：从负电荷“重心”指向正电荷“重心”的矢量。 电场中的电介质可看作是由大量这种微小的电偶极子组成的。 负电荷“重心” 正电荷“重心” 2.无极分子电介质的极化----位移极化