[小学教育]第10章静电场中的电介质.ppt

第15章 静电场中的电介质 Dielectrics in Electrostatic Field 主要内容 * ? 电介质对电场的影响 ? 电介质及其极化 ? 的高斯定律 ? 电容器与电容 ? 电容器的能量 15.1 电介质对电场的影响 Dielectrics infection to Electrostatic Field 电介质——绝缘体(无自由电荷) 放入电介质后 相对电容率（相对介电常量） 电容率(介电常量) 15.2 电介质及其极化 Dielectrics and polarization (外电场) 一、介质的极化(polarization) ——在外电场作用下，介质表面感生出束缚(极化)电荷的现象． + + + - - - 端面——“束缚电荷”或“极化电荷”。 1.电介质的微观图像 非极性分子：正、负电荷中心重合 （氢、甲烷、石蜡等） 极性分子：正、负电荷中心不重合 （水、有机玻璃等） 每一个分子中的正电荷集中于一点，称为正电荷重心；负电荷集中于另一点，称为负电荷重心——构成电偶极子. 分子的电矩： CH4分子 H2O分子 无外场时： 极性分子 非极性分子 有外电场时 ①极性分子取向极化 ——分子固有电矩在电场作用下沿外电场方向取向 极化的效果：端面出现束缚电荷 (外电场) + + + - - - ②无极分子位移极化 ＋ － (外电场) + + + - - - 极化的效果：端面出现束缚电荷 位移极化和转向极化微观机制不同，宏观效果相同。 2.电极化强度 (Polarization intensity） ——表示电介质极化程度 电极化强度：单位体积内的分子电矩的矢量和 的SI单位: C/m2 对非极性电介质： 单位体积内的分子数 实验表明：对于各向同性电介质，有 该点的总场强 ——称介质的极化率 由介质的性质决定，与 无关。在各向同性均匀介质中为常数。 3. 介质的击穿(dielectric breakdown) ——外电场很强时,大量分子离解,介质变 成导体． 介电强度(击穿场强)： 电介质所能承受的最大场强 介　质 介电强度(106 V/m) 空气 3 矿物油　　　15 瓷 6?20 玻璃 10?25 聚乙烯 50 二、介质表面的束缚电荷 + + + + 以非极性电介质为例： 表面dS 的束缚电荷： dS 由 极化面电荷密度为极化强度外法线的分量 此结果也适用于极性电介质 三、封闭介质面S内的束缚电荷 介质 S Q′内 dS 在介质内作一封闭曲面 S 因为电介质为电中性，由电荷守恒定律： 15.3 的高斯定律 Gauss’s law for 一、 电介质中的电场 总场? 外场+束缚电荷的电场 + + + - - - 自由电荷：金属导体所带的电荷 由自由电荷和束缚电荷共同产生 对闭曲面S, 有 导体 电介质 闭曲面S 二、 的高斯定律 引入电位移矢量 又称为“有电介质时的高斯定律”,但也适用于没有电介质的情形,且对任何电场都成立. —— 的高斯定律 （1）对于各向同性介质,在通常的场强下,有 说明： C/m2 (同 ) ——介质的相对介电常量 　　　　　(相对电容率) ——介质的介电常量 　　　　　(电容率) 其中 ⑵电位移线 定义类似于电场线：①切线方向即电位移方向；②穿过单位截面积的电位移线数目即电位移大小． 的SI单位： 性质： ①连续；(不会在没有自由电荷处中断) ②不闭合；(起于正自由电荷或无穷远处，止于负自由电荷或无穷远处) ③不相交．(电场单值性) +? -? e.g. 在介质的分界面处, 线连续,而 线不连续. 三、定律的应用 自由电荷及介质分布的对称性很高(球、圆柱、平面等)时, 由定律?　 ?　 ? 　 ? 　 [例15-1] R 一半径R、带正电荷Q的金属球,浸于一个大油箱中,油的相对介电常量为?r.求球外的场强分布及贴近金属球表面的油面上总的束缚电荷q′. R r 解： 作半径为r的同心球形高斯面S, ⑴由对称性分析：　 S 由高斯定律： 于是 介质中场强是真空中的1/?r（高对称性）. ⑵由 油层贴近金属球的内表面 R q q r 于是 R q q r ⑵的解法2： 由于q′在贴近金属球面的介质表面分布均匀，它在贴近球面处r的场强为 自由电荷在r处的场强为 由 得到 [例15-2]两块靠