清华大学物理之电磁学.ppt

四、静电场的边界条件 在两种介质的分界面上 1、E 的切向分量连续 2、对无自由电荷的界面，D的法向分量连续—D线连续 E 的环流定理 证明： D l 介质 1 ， e 1 介质 2 ， e 2 D 的高斯定理 D S 介质 1 ， e 1 介质 2 ， e 2 n §5.4 电容器和它的电容 ? 一、孤立导体的电容 Q,U 孤立导体 【例】孤立导体球的电容 电介质减弱了极板间的电场和电势差，电容增加到?r 倍。 二、平板电容器 三、园柱形电容器 四、球形电容器 对于孤立导体球： R 2 R 1 L e r §5.5 电容器的能量 充电 * 2005年春季学期 陈信义编 电磁学（第三册） 第5章 静电场中的电介质 本章讨论： 电介质如何影响电场？ 在电场作用下，电介质的电荷如何分布？ 如何计算有电介质存在时的电场分布？ 引 言 电介质 (Dielectric)，就是绝缘体 —无自由电荷，不导电。 请关注：电介质和导体在电学机制上的区别。 【演示实验】电介质对电场的影响、压电效应、电致伸缩 §5.1 电介质对电场的影响 §5.3 D 的高斯定理 §5.2 电介质的极化 §5.5 电容器的能量（自学） §5.4 电容器和它的电容（自学） ? 目 录 §5.6 介质中电场能量密度 ? §5.1 电介质对电场的影响【演示实验】 +Q -Q E0 U0 +Q -Q —相对介电常数 变压器油： ?r～2.24 钛酸钡： ?r～103—104 铁电体 电介质 E，U 电场被削弱： 端面出现电荷 如何解释上述实验结果？ 束缚电荷的电场E′不能全部抵消E0，只能削弱总场E. ++++++++++++ ----------------- + + + + + + + + - - - - - - - - 机制与导体有何不同？ 导体情况： －“束缚电荷”（bound charge）或“极化电荷”。 电介质情况： 电中性的分子中，带负电的电子(或负离子)与带正电的原子核(或正离子)束缚得很紧，不能自由运动－束缚电荷或极化电荷。 §5.2 电介质的极化（polarization） 一、电介质的电结构 电偶极子模型： 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 — 两者构成电偶极子 固有电偶极矩 1、有极分子(Polar molecule) — 极性电介质 例如 HCl、 H2O、CO H2O . . . O H H H O + H + 分子正负电重心不重合 有固有电偶极矩 二、有极分子和无极分子 ~ 10–30 C·m 分子 HCl 3. 43 H2S 5. 3 HBr 2. 60 SO2 5. 3 HI 1. 26 NH3 5. 0 CO 0. 40 C2H5OH 3. 66 分子 p / (10?30C ? m) p / (10?30C ? m) H2O 6. 2 有极分子的电偶极矩 分子正负电中心重合 无固有电偶极 2、无极分子 (Nonpolar molecule) 例如 H2、O2、CO2、CH4 C H + H + H + H + — 非极性电介质 三、电介质的极化 (Polarization) 在外电场作用下，电介质表面出现正负电荷层的现象—电极化 极化机制 无极分子位移极化 有极分子取向极化 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1、无极分子的位移极化 无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电 加外电场： 产生感生电偶极矩 主要是电子（云）移动 极化的效果：端面出现束缚电荷 2、有极分子的取向极化 无外电场：固有电偶极矩热运动，混乱分布，介质不带电。 + + + + + + + + + + + + 加外电场：外场取向与热混乱运动达到平衡。 + + + + + + + + + + + + + + + + 极化的效果：端面出现束缚电荷 有极分子电介质也存在位移极化，但取向极化是主要的，它比位移极化约大一个数量级。 电场频率很高时，分子惯性较大，取向极化跟不上外电场的变化，只有惯性很小的电子才能紧跟高频电场的变化而产生位移极化，只有电子位移极化机制起作用。 四、电极化强度 (Polarization intensity） —表征电介质极化程度 如何表征？ 电极化强度：电介质中某点附近单位体积内分子电偶极矩的矢量和 单位：C/m2 —面电荷密