电介质极化.ppt

场物质 物质与场是物质存在的两种形式 物质性质： 非常复杂（只能初步地讨论） 要特别注意课程中讨论这种问题所加的限制 一、 电介质极化的微观机制无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、CO2)微观：电偶极矩 p分子＝0，(l=0)宏观：中性不带电无极分子有极分子 极化性质： 位移极化取向极化 二、极化的描绘： 1、极化强度矢量2、极化电荷 极化后果：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）面分布可能出现在整个介质中 （非均匀介质）体分布 3、退极化场 极化的后果(平衡) 三者从不同角度定量地描绘同一物理现象——极化，三者之间必有联系，这些关系——电介质极化遵循的规律 §2 极化强度矢量与极化电荷 （以曲面的外法线方向n为正） 2、均匀介质中P与?e′的关系 在均匀介质表面取一面元 例一：求沿轴均匀极化电介质圆棒上极化电荷分布 （ P是常数） 练习:求一均匀极化的电介质球表面上极化电荷 （已知极化强度矢量P） §3 极化强度矢量与场强的关系——极化规律 猜测E与P可能成正比（有条件）——两者成线性关系 （有的书上说是实验规律，实际上没有做多少实验，可以说是定义） P与E 是否成比例 凡满足以上关系的介质——线性介质 不满足以上关系的介质——非线性介质 介质性质是否随空间坐标变 （空间均匀性） ?e—常数：均匀介质； ?e—坐标的函数：非均匀介质 介质性质是否随空间方位变（方向均匀性） ?e—标量：各向同性介质； ?e—张量：各向异性介质 感应、极化 自由、束缚 感应电荷：导体中自由电荷在外电场作用下作宏观移动使导体的电荷重新分布——感应电荷、感应电场 特点：导体中的感应电荷是自由电荷，可以从导体的一处转移到另一处，也可以通过导线从一个物体传递到另一个物体 极化电荷：电介质极化产生的电荷 特点：极化电荷起源于原子或分子的极化，因而总是牢固地束缚在介质上，既不能从介质的一处转移到另一处，也不能从一个物体传递到另一个物体。若使电介质与导体接触，极化电荷也不会与导体上的自由电荷相中和。因此往往称极化电荷为束缚电荷。 束缚电荷？ 极化电荷 用摩擦等方法使绝缘体带电绝缘体上的电荷——束缚电荷 并非起源于极化，因而可能与自由电荷中和 实际上它是一种束缚在绝缘体上的自由电荷 自由、束缚是指电荷所处的状态； 感应、极化或摩擦起电是指产生电荷的原因 例三、平行板电容器，极板面积S,间距为d，充有各向同性均匀介质，求充介质后的E 和电容C。设介质的极化率为 插入介质后电容器中的场被削弱了，板间电压也降低此时的电容为 北京大学物理学院王稼军编 * 相互作用 场 物质 有响应？ 有作用？ 物质固有的电磁结构 自由电荷：宏观移动 束缚电荷：极化 磁介质磁化 电介质与电场 导体、半导体和绝缘体有着不同的固有电结构 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——静电平衡 绝缘体中的自由电子非常稀少——极化 半导体中的参与导电的粒子数目介于两者之间。 ↘ ↗ ↙ → ← ↓ → ↗ ↘ ↙ ↙ ↓ ↙ ↗ ↘ ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±有极分子：正负电荷中心不重合(H2O、Hcl)微观：电偶极矩 p分子 ? 0，(l ? 0)宏观：中性不带电 §1 电介质的极化 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ↘ ↗ ↙ → ← ↓ → ↗ ↘ ↙ ↙ ↓ ↙ ↗ ↘ 后果：出现极化电荷（不能自由移动）→束缚电荷 介质的体积，宏观小微观大（包含大量分子） 介质中一点的 极化强度矢量(宏观量 ) 微观量 定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和（描述介质在外电场作用下被极化的强弱程度的物理量） 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 有电介质时的总场 退极化场（附加场） 在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强 （以位移极化为模型讨论) 1、极化强度矢量与极化电荷 介质中任意闭合面内的极化电荷 =？ 被S面切割的偶极子才对面内净电荷有贡献 正电荷在面外的贡献一负电荷； 负电荷在面外的贡献一正电荷 设单位体积内有n 个分子 一个分子的电偶极矩 过dS的极化电荷 在S上任取面元dS(宏观小微观大),可认为dS附近的分子的电偶极矩几乎同向 dS l n 质心在如图柱体内的 偶极子才会被dS切割 （P在dS上的通量 等于过dS的极化电荷） dS l n 闭合面S内的极化电荷Q =？