《静电场电介质》PPT课件.ppt
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1、第五章第五章 静电场中的电介质静电场中的电介质5.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响5.2 5.2 电介质的极化电介质的极化5.3 的高斯定律的高斯定律5.4 5.4 电容器及电容电容器及电容5.5 电容器的能量和电场的能量电容器的能量和电场的能量5.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响U+Q-QU+Q-Q相对介电常数相对介电常数(无量纲)(无量纲)场强之间的关系可表示为:场强之间的关系可表示为:介质中介质中真空中真空中介质中某种电荷分布产生介质中某种电荷分布产生与与 反向反向5.2 5.2 电介质的极化电介质的极化一一.电介质的分类电介质的分类有极分子有极分子有极分子有极分子无极分
2、子无极分子-+-+二二.电介质分子对电场的影响电介质分子对电场的影响1.1.无电场时无电场时热运动热运动-紊乱紊乱宏观上,整宏观上,整个电解质内个电解质内部和表面呈部和表面呈现电中性现电中性2.有电场时有电场时无极分子无极分子根据分子中正负电荷的中心根据分子中正负电荷的中心是否重合分为是否重合分为固有电矩固有电矩 位移极化位移极化 边缘出现边缘出现电荷分布电荷分布 取向极化取向极化 效果效果有极分子有极分子无极分子无极分子+-附加电场附加电场感生电矩感生电矩自由电荷激自由电荷激发的电场发的电场面束缚电荷面束缚电荷激发的电场激发的电场极化电荷或面极化电荷或面束缚电荷束缚电荷内部仍为内部仍为电中性
3、电中性反映了介质极化的程度反映了介质极化的程度3.3.描述极化强弱的物理量描述极化强弱的物理量宏观上无限小微观上宏观上无限小微观上无限大的体积元无限大的体积元定义定义单位单位每个分子的电偶极矩每个分子的电偶极矩极化强度矢量极化强度矢量 无极分子电介质,每个无极分子电介质,每个分子的感生电矩相同,分子的感生电矩相同,若单位体积分子数为若单位体积分子数为n,则极化强度矢量,则极化强度矢量三三.各向同性线性各向同性线性电介质的极化规律电介质的极化规律介质的电极化率介质的电极化率无量纲的纯数无量纲的纯数,与与 无关无关1.1.极化强度与电场强度的实验关系极化强度与电场强度的实验关系介质的相对介电常数介
4、质的相对介电常数2.电介质的击穿电介质的击穿 在外电场作用下,介质分子取向极化:在外电场作用下,介质分子取向极化:分子电矩整齐分子电矩整齐排列排列;或位移极化,;或位移极化,分子正负电荷重心被拉开分子正负电荷重心被拉开。仍保持绝。仍保持绝缘状态。缘状态。当外电场强到当外电场强到足以将分子电矩的正负电荷分离形成足以将分子电矩的正负电荷分离形成自由电荷自由电荷,介质的绝缘性被破坏而介质的绝缘性被破坏而成为导体成为导体。四四.极化强度极化强度 与极化电荷量的关与极化电荷量的关系系 以各向同性、无极分子电介质为例。以各向同性、无极分子电介质为例。1、在介质内任意取面元、在介质内任意取面元dS,-+-+
5、-+-+在在dS后取一斜高后取一斜高 的薄层,的薄层,位置在该体积元内的分子数位置在该体积元内的分子数设每个分子的正电荷量为设每个分子的正电荷量为q,穿过,穿过dS的极化电荷的极化电荷位移极化,位移极化,假定负电荷位置不动,假定负电荷位置不动,正电荷向电场方向发生位移正电荷向电场方向发生位移对有极分子电介质同样适用对有极分子电介质同样适用S2、任意取一闭合面、任意取一闭合面S留在留在S内的极化电荷内的极化电荷由于极化穿出由于极化穿出S的极化电荷的极化电荷由电荷守恒由电荷守恒-+-+-+-+-+-+介质外法线方向介质外法线方向3.3.电介质表面极化电荷面密度电介质表面极化电荷面密度极化电荷面密度
6、极化电荷面密度-+-+5.3 的高斯定律的高斯定律有介质存在时,电场由自由电荷有介质存在时,电场由自由电荷与极化电荷与极化电荷共同共同决定决定S由由 的高斯定律的高斯定律令令称电位移矢量称电位移矢量则则 的高斯定律的高斯定律由自由电荷分布决定,由自由电荷分布决定,与极化电荷分布无关与极化电荷分布无关三者的关系:三者的关系:介电常数介电常数-+的单位的单位均匀电场中有介质存在时均匀电场中有介质存在时电力线与电力线与 电位移线的分布电位移线的分布有介质存在时静电场中的求解:有介质存在时静电场中的求解:根据自由电荷分布求根据自由电荷分布求 根据根据 求求 根据根据 求求 根据根据 求极化电荷分布求极
7、化电荷分布电场分布具有对称性电场分布具有对称性例例1.一带电金属球,半径一带电金属球,半径R,带电量,带电量q,浸在一个大,浸在一个大 油箱里,油的相对介电常数为油箱里,油的相对介电常数为 ,求求球外电场分布球外电场分布及贴近金属球表面的油面上的极化电荷总量。及贴近金属球表面的油面上的极化电荷总量。R解:解:根据自由电荷分布求根据自由电荷分布求电场对称分布,取半径电场对称分布,取半径 r 的同心球面的同心球面r 根据根据 求求 根据根据 求求Rr 根据根据 求极化电荷分布求极化电荷分布贴近金属球表面取半径贴近金属球表面取半径 R 的的同心球面同心球面贴近金属球表面的油面上的极化电荷贴近金属球表
8、面的油面上的极化电荷总量就是该闭合面内包围的极化电荷总量就是该闭合面内包围的极化电荷例例2.2.均匀带电介质球置于均匀各向同性介质球壳中均匀带电介质球置于均匀各向同性介质球壳中 如图示如图示 求:场的分布求:场的分布及及两介质交界处的极化电荷两介质交界处的极化电荷解:解:1)1)场的分布场的分布介质分界面处,介质分界面处,例例3.两块平行金属板原为真空,分别带有等量异号电荷两块平行金属板原为真空,分别带有等量异号电荷 、,两板间电压为,两板间电压为 ,保持两板上电量不变,将板,保持两板上电量不变,将板间一半空间充以相对介电常数间一半空间充以相对介电常数 的电介质。的电介质。求板间电压及电介质上
9、下表面的束缚电荷面密度求板间电压及电介质上下表面的束缚电荷面密度。解:设介质部分金属板电荷解:设介质部分金属板电荷面密度面密度 ,真空部分,真空部分 ;介质表面束缚电荷面密度介质表面束缚电荷面密度 在介质部分取如图所示高斯面在介质部分取如图所示高斯面同理同理两部分板间电压相等两部分板间电压相等(金属板是等势体)(金属板是等势体)板间电压:板间电压:介质上表面束缚电荷面密度介质上表面束缚电荷面密度电荷守恒:电荷守恒:5.4 5.4 电容器及电容电容器及电容一一.孤立导体的电容孤立导体的电容单位单位:法拉法拉孤立导体的电势孤立导体的电势定义定义 电容电容 以球形孤立导体为例:设导体球半径以球形孤立
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