《d电介质》PPT课件.ppt

1 d r rd dr 2 内容 3 电介质 绝缘体 无自由电荷 4 1静电场中的电介质DielectricsinElectrostaticField 相对介电常数 变压器油 r 2 24钛酸钡 r 103 104铁电体 E U 电场被削弱 4 束缚电荷或极化电荷 1 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 端面出现电荷 5 固有电偶极矩 极性分子 Polarmolecule 极性电介质 例如HCl H2O CO 分子正负电重心不重合有固有电偶极矩 10 30C m 电偶极子模型 6 分子正负电中心重合无固有电偶极 非极性分子 Nonpolarmolecule 例如H2 O2 CO2 CH4 7 加外电场 外场取向与热混乱运动达到平衡 微观机制 取向极化Orientationpolarization 分子固有电矩在电场作用下择优取向 无外电场 固有电偶极矩热运动 混乱分布 介质不带电 8 位移极化displacementpolarization 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 9 电介质中某点附近单位体积内分子电偶极矩的矢量和 宏观描述 定义 极化强度 SI单位 C m2 实验表明 对于各向同性介质 有 10 2 介质的击穿dielectricbreakdown 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 11 3 介质表面的束缚电荷boundcharges n 单位体积内的分子数 每个分子的正电荷重心相对于其负电荷重心都有一个位移l 各个分子的感应电矩都相同 电介质的极化强度为 以均匀的位移极化为例 均匀极化电介质各处极化强度P大小和方向都相同 本次自学 12 2 介质表面的束缚电荷boundcharges 1 束缚电荷面密度 表面dS上的束缚电荷 分子数密度 某点束缚电荷面密度 13 2 介质表面的束缚电荷boundcharges 于是 所以 S表面的束缚电荷 14 4 3的高斯定理 给定自由电荷分布 如何求稳定后的电场分布和束缚电荷分布 电荷重新分布 存在介质时 静电场的规律 给定自由电荷分布 电场 束缚电荷分布 电场重新分布 15 束缚电荷 代入移项得 的高斯定理 1 的高斯定理Gauss sLawfor q0in 16 定义 引入 电位移矢量 通过任意封闭曲面的电位移矢量的通量 等于该封闭面所包围的自由电荷的代数和 的高斯定理 SI单位 C m2 Electricdisplacement 17 各向同性介质 SI单位 r 纯数 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 C2 N m2 同 0 又称 有电介质时的高斯定律 并且对任何电场都成立 Note 18 19 3 定律的应用 在自由电荷分布和介质分布都具有很高对称性时 该定律 20 例4 1 平行板电容器 板间充满电介质 r 极板上自由电荷面密度为 则介质中D E 解 高斯面S 底面积为A的柱面 由对称性 介质中 方向垂直于板面 且分布均匀 21 于是 思考 介质中束缚电荷的场强 为什么 D 0E P 0 rE 0E P 0 r 1 E P 0 r 1 E Pn 22 类型 平行板电容器 圆柱形电容器 球形电容器 1 电容器 由两个彼此靠近且互相绝缘的导体组成 4 3电容器与电容CapacitorsandCapacitance 23 2 电容C 表征电容器储存电荷和能量的能力 C的定义 C仅依赖于电容器的几何以及极板间介质的性质 SI单位 F 法拉 1F 1C V 1 F 10 6F 1pF 10 12F Note 24 C的计算 平行板电容器 板间为真空时 25 板间充满某一介质时 26 圆柱形电容器 单位长度的电容 设内筒半径为R1外筒半径为R2 筒间为真空时 27 若内筒改为实心柱 则电容值是否改变 思考 筒间充满某一介质时 自验 28 球形电容器 球壳间为真空时 自验 球壳间充满某一介质时 自验 若内球壳改为实心球 则电容值是否改变 思考 29 令R2 则有 孤立导体球的电容 地球 C0 700 F Note e g 30 串联电容器组 特点 C1 C2电量相等 总电势差U1 U2 31 应 32 并联电容器组 特点 C1 C2上电势差相等 总电量Q1 Q2 33 Q1 Q2 C1U C2U 注意电容器与电阻 弹簧等在串 并联时计算方法的异同 实际上任意两个导体间都有电容存在 称为杂散电容 straycapacitance Notes 34 例4 2 平行板电容器 极板面积S 间距d 在两板间插入一块厚d 的金属板 问 电容变为多少 解 视为两个电容器的串联 35 思考 若金属板的上下位置变化 结果 若插入的是介质板 r 结果 36 例4 3 两个电容器分别标有200pF 电容 500V 耐压值 和300pF 900V 把它们串联起来 在两端加上1000V电压 问 它们是否会被击穿 解 3 2 U1 U2 1000V 串联 Q1 Q2 C1U1 C2U2 U1 U2 C2 C1 U1 600V 电容器1被击穿 37 随后 1000V全加在C2上 电容器2也被击穿 思考 该电容器组所能承受的最高电压是多少 若改为并联 则电容器组所能承受的最高电压是多少 38 4 4静电场的能量EnergyofElectrostaticField 1 带电电容器的能量 充电时 电源做功 电容器的静电能 放电时 电场力做功 能量释放 Flash e g 39 带电电容器的静电能 2 静电场的能量 充电与放电 极板间电场产生与消失 场的观点 静电能储存于电场中 40 电场的能量密度 单位体积中的能量 对任何电场都成立 电场的能量 41 例4 4 金属球半径R 带电量Q 求其静电能 解 解法一 视为带电电容器 解法二 计算静电场的能量 42 球内 E 0 W 0 球外 r r dr区域的能量 整个电场的能量 43 思考 将 金属球 改为 均匀带电球体 结果 44 电介质的极化 极化强度 束缚面电荷密度 Chap 4SUMMARY 现象 微观机制 介质表面出现束缚电荷 取向极化 位移极化 介电强度 击穿场强 Pn 45 电位移 的高斯定律 典型应用 电荷及介质高对称分布情形 球 圆柱 平面等 46 电容 定义 计算方法 串联 并联 设定Q U C 47 平行板 孤立导体球 典型结果 带电电容器的能量 圆柱形电容器 48 静电场的能量 能量密度 场能 49 A B C D Chap 4EXERCISES 50 解 U一定 E E0 Ed E0d 思考 若充电后与电源断开 再填充介质 结果 51 电容器1和2串联后充电 在电源保持连接的情况下 把电介质插入2中 则1上的电势差 1上的电量 1的静电能 填增大 减小 不变 解 但U1 U2一定 串联 U1 U2 C2 C1 插入介质 C2 C1 U1 U2 U1 52 Q1 C1U1 Q1 若电容器为并联 充电后与电源保持连接 结果 若电容器为并联 充电后与电源断开 结果 思考 若将 电源保持连接 改为 电源断开 结果 53 真空中 半径为R1和R2的两个导体球相距很远 则两球的电容之比C1 C2 用细长导线将两球相连 则电容C 解 相距很远 各为孤立导体球 C1 4 0R1 C2 4 0R2 两球相连 等势 C1 C2 R1 R2 54