2、静电场中的导体和电介质

2.4静电场中的导体,金属导体中存在大量的自由电子，它们时刻作无规则的微观运动（“热运动”）。当自由电子受到电场力作用时，会在热运动的基础上附加一种有规则的宏观运动，形成电流。当导体中自由电子不作宏观运动（没有电流）时，我们说导体达到了静电平衡的状态。,2.4.1导体的静电平衡,导体静电平衡的特点,（1）导体内部任意一点的电场强度等于零。（2）导体表面上任一点的场强必定垂直于导体表面。（3）导体为等势体，导体表面是等势面。（4）电荷都分布在导体的表面上，导体内部任一小体积元内的净电荷等于零。（5）导体在电场中达到静电平衡时，其表面上电荷的分布不一定是均匀的，一般地讲，表面曲率大的地方，电荷密度大；表面曲率小的地方，电荷密度小。,2.4.1导体的静电平衡,2.4.2静电感应,处在电场中的孤立导体，在外加电场的作用下，使自由电子逆着电场的方向运动。导致导体的一端出现负电荷，而另一端出现正电荷，这种现象叫静电感应。,2.4.3静电屏蔽,由导体静电平衡的特点可知，导体在电场中达到静电平衡后，导体内部任何点的场强均为零。所以，导体外部的电力线只能终止（或起始）于导体表面，并与导体表面垂直，不能穿过导体进入内部。也就是说，空腔导体内部的物体不会受到外部电场的影响。空腔导体使其内部不受外电场影响的性质叫静电屏蔽。在静电防护领域，为了使对静电敏感的器件不受外界静电场的影响，通常将敏感器件装在屏蔽袋中。,如果空腔导体不接地，虽然可以屏蔽外电场，但当空腔内有电荷存在（净电荷不为零）时，空腔导体内部的电荷会在导体外部激发电场。当导体接地时，不仅导体外部的电场对空腔内部无影响，而且导体壳内的电荷对导体外部空间也无影响，这也是一种静电屏蔽。这是接地导体对其内部电荷的屏蔽。,1.4.4在静电领域材料的分类,静电导体：表面电阻率小于1105/sq或体电阻率小于1104cm（或1102m）的材料。静电屏蔽材料：表面电阻率小于1104/sq，或体积电阻率小于1.0103cm的材料，采用这种材料制作的法拉第保护罩可防止静电敏感器件受到静电的影响。静电屏蔽材料属于静电导电材料。静电耗散材料：表面电阻率大于或等于1105/sq而小于11012/sq，或体电阻率大于或等于1104cm而小于11011cm的材料。这种材料中的电荷可以在电场的作用下移动，但比导电性材料中电荷移动缓慢。绝缘材料：指表面电阻率至少为11012/sq或体积电阻率至少11011cm。绝缘性材料具有高电阻，无法通过接地泄漏其电荷。,2.5静电场中的电介质,2.5.1电介质的极化电介质是指电导率很小的物质。其特点是分子中正负电荷束缚得很紧。在一般条件下，正负电荷不能分离，因而在介质内部自由电荷极少，导电能力很弱。由于电介质结构的不同，可以把它们分成两大类，即无极性分子电介质和有极性分子电介质。,无极性分子的正负电荷中心在无外电场存在时是重合的，整个分子没有电偶极矩，如H2、N2、CCl4等。这类分子在外电场的作用下，分子中的正负电荷中心将发生相对位移，形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向，导致介质表面上出现了电荷。这种情况称为介质的极化。无极性分子电介质的这种极化方式称为位移极化。,无极性分子的极化,有极性分子的极化,有极性分子的正负电荷中心即使在无外电场存在时也是不重合的，例如水分子等。由于分子热运动的无规则性,在物理小体积内的平均电偶极矩为零，宏观上也不显电性。当介质受到外电场作用时，每个分子的电偶极矩都受到一个力矩的作用，使分子电矩转向外电场方向，这样分子固有电矩的矢量和就不等于零了。但由于分子的热运动，这种转向并不完全。外电场越强，分子电矩沿着电场方向排列得越整齐。对于整个电介质来说，不管分子电矩排列的整齐程度如何，在与电场方向垂直的端面上都会出现电荷。一个端面出现正电荷，另一端面出现负电荷。有极分子电介质的这种极化方式称为取向极化。,均匀介质和非均匀介质的极化,对均匀介质和非均匀介质来说，电介质的极化是不同的。在均匀电介质中，极化的结果只在与电场方向相垂直的端面上出现极化电荷。对于非均匀电介质，除在电介质表面上出现极化电荷外，在电介质内部也将产生体极化电荷。,2.5.2电极化强度,当电介质处于极化状态时，在电介质内部任一宏观小体积元V内分子的电矩矢量和不等于零，即p0（其中p为分子电矩）。为了定量地描述电介质的极化程度，引入电极化强度矢量P，它等于介质单位体积内分子电矩的矢量和。,实验证明，对于绝大多数各向同性的介质，极化强度P与电场强度E成正比，即P=0E,式中称为介质的电极化率，它与场强E无关，取决于电介质。,2.5.3束缚电荷,电介质处于极化状态时，在电介质的端面或内部上产生极化电荷。这些电荷不能离开电介质表面，称为束缚电荷。如果介质不均匀，在介质内部也会由于极化而出现束缚电荷。,设单位体积分子数为n，则穿出dS的正电荷为：,2.5.4电位移矢量,应用高斯定理,上式即为介质中的高斯定理。它表明：在静电场中，由任意闭合面穿出的D通量，等于该闭合面内的自由电荷。,令,电位移矢量和场强的关系,在各向同性介质中,DE,2.5.5静电场的边界条件,在两种介质的分界面上，电场强度矢量E的切线分量连续。,若分界面上分布着面电荷密度为的自由电荷，则在两底面均无限靠近界面时对小圆柱面应用高斯定理，可得,D