电磁学第15章静电场中的电介质.pptVIP

介质外： 介质内： 极化电荷分布 介质内部： 均匀介质， 极化强度： 或由 可证 介质内表面： 介质外表面： ?r R1 q0 R2 【思考】曲线为何不连续？ E 0 R1 R2 r 注意：起作用的仍是电场 而不是 ，总场强是三个均 匀带电球面的电场叠加。 q0 -q? +q? 三. 静电场的界面关系 1. 法向关系 由介质 2 指向介质 1 【思考】 界面处 的法向关系是什么？ 介质 1 介质 2 （高） 2. 切向关系 （环） 介质 1 介质 2 3. 各向同性介质交界面 若 则 若 ?1 ?2 ，则 ?1 ?2 — 电场线的“折射” ?1 ?2 ?1 ?2 线的“折射” 四. 两个重要规律 1. 介质界面与等势面重合 q0 导体 等势面 电介质 真空 各等势面之间区域用同一 种均匀各向同性线性介质 填充时，在各介质内有： — 由自由电荷 q0 ，在保持分布不变的情 况下，挖去所有介质后产生的场强。 这种情况下， 只决定于自由电荷 q0 的分布。 典型例子 2. 介质界面与“电场线管表面”重合 电场线管 用同一种均匀各向 同性线性介质填充 设导体带电 q0 ，电场线分布如图。若在电场 线管区域填充同一种均匀各向同性线性介质， 则结果会如何呢？ 导体 S q0 填充后的电场 保持填充前 电场 的对称性，并成比例： 这要求：导体表面自由电荷、与导体接触的 介质表面的极化电荷，二者在导体表面 S 处 所构成的总面电荷分布形式，要和没填介质 时的自由面电荷分布形式一样（成比例）。 * * * 第十五章 静电场中的电介质 带静电的塑料吸引水柱 §15.1 电介质的极化 §15.2 有介质时静电场的规律 △§15.3 电容器及其电容 §15.4 有介质时的静电场能量 *§15.5 铁电体 、压电效应 第十五章 静电场中的电介质 §15.1 电介质的极化 电介质：与导体对立，是电的绝缘体，自身无 自由电荷，不导电。 演示：电介质在电场下的极化和对电场的影响 电 介 质 +Q -Q 静电计 电容器极板电量保持不变， 插入电介质，静电计指针 张角减小，表明极板间的 电场减弱。 取出电介质，张角复原。 电介质极化：电介质在电场作用下，体内或 界面出现极化电荷（束缚电荷）的现象。 不同于导体中的自由电荷，在介质内，极化 电荷产生的电场不能完全抵消外电场。 一. 电介质的微观电结构 原子、分子是由原子核和电子云构成。考虑 它们在远处产生的电场时，作为简化，可将 所有正（负）电荷用一个带正（负）电的点 电荷来等效，其位置称为正（负）电荷中心。 无极分子： ? 正负电荷中心重合，无固有电偶极矩。 He，N2， CH4 ... 有极分子： ? ? H2O，NaCl，NH3 ... 正负电荷中心分开，有固有电偶极矩。 3.66 C2H5OH 0.40 CO 5.3 SO2 3.43 HCl 5.0 NH3 6.2 H2O 有极分子的固有电偶极矩（单位 10-30 C?m） 二. 极化机制 1. 无极分子的位移极化 极化效果：电介质端面出现极化电荷 ? ? 分子中的电子云在外电场作用下产生畸变， 正负电荷中心不重合，产生感生电偶极矩： 2. 有极分子的取向极化 无外场时，热运动导致 固有电偶极矩取向随机 分布，介质不呈现电性。 极化效果：电介质端面出现束缚电荷 有外场时，受热运动的影响，固有电偶极矩 只能尽量沿外场方向排列，介质可呈现电性。 注意：有极分子在外场作用下也会产生感生 电偶极矩，发生位移极化。在静电场中取向 极化起主要作用，在高频场中，分子的惯性 导致位移极化成为主要因素。 3. 离子位移极化 有些电介质是离子晶体，如 NaCl、BaTiO3， 正负离子在电场作用下产生相对位移，形成 感生电偶极矩，使电介质极化。 【TV】电介质极化 电介质中总场 外场 极化引起附加场 外场源 ?0 （自由电荷） 电介质 极化 电场 对外场源的影响 上面讨论忽略了 对外场源电荷分布的影响。 三. 极化过程 — 静电平衡过程 开始外电场 使介质极化，产生极化电荷激发附加 电场 ，与外电场 叠加构成总电场 。之后 使介质进一步极化，产生新的极化电荷激发新的 ， 与 叠加构成新的 ，如此下去直到静电平衡。 四. 极化强度 量纲：和面电荷密度相同 单位：C?m-2 为反映电介质被极化的程度，定义极化强度 矢量：单位体积中分子电偶极矩的矢量和： 也反映分子的电偶极矩排列的有序程度， 可认为是电介质对总电场