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第五章
静电场中的电介质
本章主要内容§5-1电介质对电场的影响§5-2电介质的极化§5-3电位移矢量和的Gauss定理§5-4电容器的能量§5-5电场的能量§5-1电介质对电场的影响
§5-2电介质的极化
§5-3电位移矢量和
的Gauss定理
§5-4电容器的能量
§5-5电场的能量
另一解法:用D的高斯定理R++++++++------qq?+?++--DS
EnergyofaCapacitor§5-4电容器的能量考察电容的充电过程:
充电过程的实质,是把正电荷从电势低的负极板移到电势高的正极板,静电场力做负功。因此外力必须克服静电场力对电荷做功,使电容器获得能量并储存在电容器中。电容器的能量是指:电容器上电荷建立的过程中外力克服静电场力对电荷所做的功。[例]一平空气行板电容器,电容为C0,接入充电电路充电至电压为U,此后(1)保持电路接通;(2)断开电路。今在极板间插入一块相对介电常数为er的均匀各向同性介质,使介质充满极板间隙。求此过程中外力所做的功。解:无介质时电容器的储能W0为插入介质后电容器的电容板为(1)电路接通,U不变,插入介质后电容器的能量为(2)电路断开,Q不变,插入介质后电容器的能量为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】孤立导体球的电容孤立导体壳的电容?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、圆柱形电容器四、球形电容器对于孤立导体球:R2R1LerEnergyofElectricField**飞过海DielectricinElectrostaticField第五章静电场中的电介质第五章静电场中的电介质按照物体导电特性区分,导电性相对导体很差的物体称为
电介质(绝缘体)。从微观上看,电介质不存在自由电子,电子都束缚在原子的内部——处于束缚态。实验表明,处于静电场作用下的电介质,会产生极化现象,即介质表面会出现宏观电荷积累。但这不同于导体的静电感应,因为导体中的自由电子可以“自由运
动”,直至静电平衡出现,而电介质
中的束缚电子不可能摆脱原子的束缚。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?请关注:电介质和导体在电学机制上的区别EffectsonElectricFieldbyDielectric§5-1电介质对电场的影响处于束缚态电荷一般情况下,电介质在外电场作用下,会在介质上积累出宏观电荷q’,同时产生退极化电场E’,进而使电介质内部的场强E比外场强E0小。考虑电介质对电容器的影响:将电容器充电后断开电路,即保持极板上电荷Q不变。
在极板间插入电介质,实验测得板间电压变小,这说明介质内的场强变小,同时电容也随之变大。+Q-QE0U0+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:PolarizationofDielectric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。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(Polarmolecule)—极性电介质例如HCl、H2O、COH2O...OHHHO+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~10–30C·m分子HCl3.43H2S5.3HBr2.60SO25.3HI1.26NH35.0CO0.40C2H5OH3.66分子p/(10?30C?m)p/(10?30C?m)H2O6.2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(Nonpolarmolecule)例如H2、O2、CO2、CH4CH+H+H+H+—非极性电
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