电介质的极化和介质中的高斯定理.PPTVIP

* 静电场中的电介质介质中的高斯定理 一、静电场对电介质的作用—电介质的极化 从电场这一角度看，电介质就是绝缘体。 我们只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。 将电介质放入电场，表面出现电荷。 这种在外电场作用下电介质表面出现电荷的现象叫做电介质的极化。所产生的电荷称之为“极化电荷”。 在电介质上出现的极化电荷是正负电荷在分子范围内微小移动的结果，所以极化电荷也叫“束缚电荷”。 1.极化现象 特点：电介质体内只有极少自由电子。 电介质内部的总场强 极化电荷所产生的附加电场不足以将介质中的外电场完全抵消，它只能削弱外电场。 介质内部的总场强不为零！ 每个分子负电荷对外影响均可等效为单独一个静止的负电荷 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“负电作用中心”。 - 从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、有极分子。 2.电介质极化的微观机制 在各向同性均匀电介质中： 称为相对介电常数或电容率。 同样，所有正电荷的作用也可等效一个静止的正电荷的作用，这个等效正电荷作用的位置称为“正电作用中心”。 + 无极分子：正负电荷作用中心重合的分子； 如H2、N2、O2、CO2 有极分子：正负电荷作用中心不重合的分子。 如H2O、CO、SO2、NH3….. + - - - + H2 在无外场作用下整个分子无电矩。 - + + O H+ H+ + H2O + - 有极分子对外影响等效为一个电偶极子，在无外场作用下存在固有电偶极矩。 （1）无极分子电介质的极化 在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不显电性。 有外场时呈现极性。 位移极化 这种由于正电中心和负电中心的移动而形成的极化现象叫做位移极化。 位移极化主要是由电子的移动造成的。 外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。 均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷， 非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。 （2）有极分子电介质的极化 在没有外电场时，有极分子正负电荷中心不重合，分子存在固有电偶极矩。但介质中的电偶极子排列杂乱,宏观不显极性。 有外场时电偶极子在外场作用下发生转向，使电偶极矩方向趋近于与外场一致所致。 这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为取向极化 由于分子的无规则热运动，这种转向只能是部分的，遵守统计规律。 在外电场中，在有极分子电介质表面出现极化电荷， 外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大。 说明：电子位移极化效应在任何电介质中都存在，而分子转向极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分子构成的电介持中，转向极化效应比位移极化强得多，因而是主要的。 综 述： 1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观效果都是产生了极化电荷。 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生的分子电矩的矢量和也越大。 3）极化电荷被束缚在介质表面，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。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。 在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值， （1）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。 电极化强度矢量： 其中 是第i个分子的电偶极矩； 宏观无限小微观无限大； 说明： 1.真空中 P = 0 ，真空中无电介质。 2.导体内 P = 0 ，导体内不存在电偶极子。 单位：[库仑/米2] 描述介质在电场中各点的极化状态（极化程度和方向）的物理量。 注意: 介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。 二、极化强度矢量 （2）极化（束缚）电荷与极化强度的关系 在电介质的表面上，极化强度与极化电荷之间有如下关系： 为电介质表面极化电荷的面密度， 极化强度矢量在表面外法线方向上的分量 为极化强度矢量与外法线方向的夹角 通常定义 为介质外法线方向。 在电介质的内部，极化强度与极化电荷之间有如下关系： 在任一闭合曲面内极化电荷的负值等于极化强度的通量。 电介质在外场中的性质相当于在真空中有适当的束缚电荷体密度分布在其内部。因此可用 和 的分布来代替电介质对电场的影响。 在外电场 中，介质极化产生的束缚电荷，在其周围无论介质内部还是外部都产生附加电场 ，称为退极化场。 +Q –Q 退极化场 任一点的总场强为： 三、退极化场 注意：决定介质极化的不是原来的场 而是介质内实际的场 。 又总是起着减弱总场 的作用，即起着减弱极化的作用，故称为退极化场。 在外电场 作用下，电介质发生极化；极化强度