【物理】电介质、4电位移ppt课件

1、场源电荷静电场静电场导导体体静电感应静电感应静电平衡静电平衡感应电荷感应电荷EV下一页下一页：t./ ；:；2 导体中含有许多可以自在挪动的电子或离子。导体中含有许多可以自在挪动的电子或离子。然而也有另一类物质电子被束缚在本身所属的原子核然而也有另一类物质电子被束缚在本身所属的原子核周围或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置，周围或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置，多少活动一些，但是不能四处挪动，这类就是所谓的多少活动一些，但是不能四处挪动，这类就是所谓的非导体或绝缘体。绝缘体不能导电，但电场可以在其非导体或绝缘体。绝缘体不能导电，但电场可以在其中存在，并且在电学中起着重要的作用。

2、中存在，并且在电学中起着重要的作用。从电场这一角度看，特别地把绝缘体叫做电介质。从电场这一角度看，特别地把绝缘体叫做电介质。从它们在电场中的行为看：有位移极化和取向极化。从它们在电场中的行为看：有位移极化和取向极化。下面将逐一讨论。下面将逐一讨论。从电学性质看电介质的分子可分为两类：从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、无极分子、 有极分子。有极分子。下一页下一页9-3 静电场中的电介质静电场中的电介质一一. 何谓电介质何谓电介质?通常条件下的绝缘物质通常条件下的绝缘物质.二二. 提高电容器电容的一种方法提高电容器电容的一种方法填充电介质填充电介质电容电容C0电势差电势差V0真空时真空

3、时+q-q电容电容C电势差电势差V填满介质时填满介质时+q-q1,1100rrCCVV电容提高了！电容提高了！为什么？。为什么？。VqC下一页下一页电介质的电容率又称为介电常数电介质的电容率又称为介电常数 。212120108542841mNCk 有些介质如各向同性均匀电介质，其介电有些介质如各向同性均匀电介质，其介电系数是常数；系数是常数； =而有些介质其介电系数是与电场强度、空间方而有些介质其介电系数是与电场强度、空间方向等要素有关的变量，普通是一个张量。向等要素有关的变量，普通是一个张量。下一页下一页r 称为某种介质的相对介电常数称为某种介质的相对介电常数 ,又称为相又称为相对电容率对电

4、容率 。真空的介电常数真空的电容率真空的介电常数真空的电容率 rr00,r1真空真空r = r = 1 1导体导体r 三三. . 电介质的微观构造及其分类电介质的微观构造及其分类电子云的电子云的负电中心负电中心正电荷的正电荷的等效中心等效中心定义：分子电矩定义：分子电矩由分子或原子中由分子或原子中的正负电荷中心决议的正负电荷中心决议的电偶极子的电偶极的电偶极子的电偶极矩，用矩，用 表示。表示。eP下一页下一页2 2有极分子类：分子内正负电荷中心不重合有极分子类：分子内正负电荷中心不重合; Pe0 ; Pe0 ;1 1无极分子类：分子内正负电荷中心重合；无极分子类：分子内正负电荷中心重合；Pe=

5、0 ;Pe=0 ;CH+H+H+H+正负电荷正负电荷中心重合中心重合甲烷分子甲烷分子4CH+正电荷中心正电荷中心负电荷负电荷中心中心H+HO水分子水分子OH2eP0 eP电介质的分类电介质的分类0eP下一页下一页中性的电介质在外电场的作用下，体内或外表出中性的电介质在外电场的作用下，体内或外表出现净电荷的景象，称为介质的极化。现净电荷的景象，称为介质的极化。因极化产生的电荷称为极化电荷，或束缚电荷因极化产生的电荷称为极化电荷，或束缚电荷; ;对于各向同性、均匀电介质，极化电荷仅产生在介对于各向同性、均匀电介质，极化电荷仅产生在介质外表，介质内部处处无净电荷。质外表，介质内部处处无净电荷。比较而

6、言比较而言, , 导体所带的电荷称为自在电荷导体所带的电荷称为自在电荷. .四、介质的极化四、介质的极化-外电场对介质的作用外电场对介质的作用 下面研讨的介质各向同性、均匀电介质满下面研讨的介质各向同性、均匀电介质满足以下条件之一足以下条件之一 ：1 1无限大电介质充溢电场空间；或无限大电介质充溢电场空间；或2 2电介质的外表为等势面。电介质的外表为等势面。下一页下一页无限大电介质无限大电介质电介质外表电介质外表是等势面是等势面下一页下一页1 1无极分子的位移极化无极分子的位移极化0 eP无外电场时无外电场时 ePffl外外E加上外电场后加上外电场后0 eP下一页下一页e+两端面出现两端面出现

7、极化电荷层极化电荷层外外E2 2有极分子的转向极化有极分子的转向极化ff外外EPMe +外外E+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +无外电场时，分子电矩的无外电场时，分子电矩的取向是无规的。取向是无规的。外外EeP加上外场加上外场两端面出现两端面出现极化电荷层极化电荷层转向外电场转向外电场eP下一页下一页3 3极化强度极化强度-单位体积介质中分子电偶极矩之单位体积介质中分子电偶极矩之矢量和矢量和VpPieiV0lim0E显然，显然，P P 值越大，表示极化程度越高。值越大，表示极化程度越高。4 4极化电荷面密度极化电荷面密度 与与 极化强度极化强度

8、P P 的关系：的关系：单位是单位是 库仑库仑/ /米米22、C/m2.C/m2.+外外E- - 可以证明：在我们研可以证明：在我们研讨的条件下有：讨的条件下有：P下一页下一页真空时真空时电容电容C0 电势差电势差V0+q-q1,1100rrCCVV电容提高了！电容提高了！为什么？。为什么？。 VqC/填满介质时填满介质时电容电容C电势差电势差V+q-q 极化电荷产生的退极化场使得介质内的场极化电荷产生的退极化场使得介质内的场强减小了，两极板间的电势差降低了，所以：强减小了，两极板间的电势差降低了，所以：电容提高了！电容提高了！下一页下一页 电介质所能接受的最大电场强度电介质所能接受的最大电场

9、强度 Eb 称为电介质的击穿场称为电介质的击穿场强强 ,此时两极板间的电压此时两极板间的电压 Ub 称为电介质的击穿电压。称为电介质的击穿电压。 对于平行平板电容器来说，击穿场强对于平行平板电容器来说，击穿场强 Eb 与击穿电压与击穿电压 Ub 的关系为的关系为dUEbb看看 P72 表表9-1 几种常见电介质的相对电容率和击穿场强几种常见电介质的相对电容率和击穿场强 从表中可以看出，除空气的相对电容率近似等于从表中可以看出，除空气的相对电容率近似等于 1 外，外，其它电介质的相对电容率均大于其它电介质的相对电容率均大于 1 。像乙烯、丙烯等资料，。像乙烯、丙烯等资料，由于其柔软性，可将它们卷

10、成体积不大的圆柱外形，因此它由于其柔软性，可将它们卷成体积不大的圆柱外形，因此它们是制造普通常用电容器的好资料。此外像钛酸钡锶们是制造普通常用电容器的好资料。此外像钛酸钡锶 ，其相，其相对电容率可达对电容率可达 104 ，用它们可制造电容大、体积小的电容器，用它们可制造电容大、体积小的电容器，从而有助于实现电子设备的小型化。从而有助于实现电子设备的小型化。下一页下一页介质中的静电场介质中的静电场场源电荷场源电荷 自在电荷自在电荷 极化电荷极化电荷下一页下一页 外来电场外来电场E0E0 退极化电场退极化电场E E 空间任一点空间任一点的电场：的电场： E=E0+EE=E0+E下一页下一页介质外的

11、场强介质外的场强 E0 不变，不变，介质内的场强介质内的场强 E 减小减小,但不等于零！但不等于零！问题问题: 如何计算有介质时介质内部的电场强度如何计算有介质时介质内部的电场强度E ?真空时 电容电容C0 电势差电势差V0+q-q填满介质时电容电容C电势差电势差V+q-q1, 1100rrCCUV实验测得真空时真空时:dldVE00填满介质时填满介质时:dldVErVVEErVV 000 故有故有:rEE 0此式在我们此式在我们界定的介质界定的介质条件下是普条件下是普遍成立的遍成立的.下一页下一页当介质满足当介质满足 1无限大均匀各向同性介质充溢电场空间；或无限大均匀各向同性介质充溢电场空间

12、；或2各向同性均匀电介质的外表是等势面各向同性均匀电介质的外表是等势面 条件之一时：条件之一时：计算电场强度的计算电场强度的 一个简一方法是：一个简一方法是：1先假设介质不存在，计算出自在电荷产生的电先假设介质不存在，计算出自在电荷产生的电 场强度场强度E0 ;2再利用以下公式：再利用以下公式：电介质中：电介质中：;0rEE无电介质处：无电介质处：0EE 下一页下一页例题例题1、求两种介质内的电场强度，、求两种介质内的电场强度，两导体板间的电势差及电容。两导体板间的电势差及电容。解：解： 先假设介质不存在。那么有先假设介质不存在。那么有：场强分布场强分布两两板板间间。两两板板外外；, 0000

13、EE由公式：由公式：电介质中：电介质中：rEE 0 可得：可得：场强分布场强分布内内；介介质质1,10101rrEE 内内。介介质质2,20202rrEE 下一页下一页 d1 d2 1r2rS内内。介介质质内内；介介质质21,2020210101rrrrEEEE两导体板间的电势差为：两导体板间的电势差为： 221102211rrdddEdEV电容器的电容器的电容为：电容为： 11110rrddSVSC可以证明：这相当于两个电容器的串联。可以证明：这相当于两个电容器的串联。下一页下一页r R204rQEr 例例2.知导体球：知导体球：RQ介质为无限大，介质为无限大，r 求求:球外任一点的球外任一

14、点的E 导体球的电势导体球的电势u解解:导体球的导体球的电势：电势： RRrdrrQrdEu204 RQr 04 介质不存在时：介质不存在时：RrrQEE,200040导导体体球球内内；，由于在电由于在电介质中有：介质中有：rEE 0 从而从而 可得：可得：下一页下一页我们还可以利用场强的叠加原理求得导体球周围我们还可以利用场强的叠加原理求得导体球周围介质外表上的极化电荷量和极化电荷面密度介质外表上的极化电荷量和极化电荷面密度设极化电荷电量为设极化电荷电量为Q ,其产生的场强为：其产生的场强为：204rQE介质内的合场强为介质内的合场强为 ：E=E0+E ; 即即202020444rQrQrQ

15、r由此可得，极由此可得，极化电荷量为：化电荷量为：011rQQ极化电荷极化电荷面密度为面密度为:24 RQr RQQ 下一页下一页94 电位移矢量电位移矢量在真空中在真空中: iqSdE001 在本讲限定在本讲限定的介质中的介质中:rEE 0 irqSdE01 irqSdE0 定义定义:电位移矢量电位移矢量EEDr0r 0称为介质的介电常数。称为介质的介电常数。下一页下一页自在电荷自在电荷电位移矢量电位移矢量E0 定义定义 D ，真空中；，真空中；Er 0 ，介质中；，介质中；204rqE 204rqEr 点电荷点电荷24 rqD 电位移线电位移线大小大小: S电电位位移移线线条条数数D方向方

16、向:切线切线DaaDbDb在真空中在真空中产生电场产生电场在介质中在介质中产生电场产生电场下一页下一页电位移的高斯定理电位移的高斯定理(有电介质时的高斯定理有电介质时的高斯定理): iSqSdD物理意义：穿过静电场中任一闭合曲面的电位移通量物理意义：穿过静电场中任一闭合曲面的电位移通量等于该曲面内包围的自在电荷的代数和。等于该曲面内包围的自在电荷的代数和。电位移通量用电位移通量用 表示：表示：D insideiSDqSD0d电位移的计算电位移的计算.0DEDEr求求出出电电位位移移，再再利利用用公公式式：先先求求得得场场强强 也可以先求电位移，再求场强。也可以先求电位移，再求场强。 irqSd

17、E0 下一页下一页S包围的包围的自在电自在电荷荷2004rQDErr 解解:过过P点作高斯面点作高斯面 S 得得 SQSdDQrD 24 24 rQD 导体球的电势：导体球的电势： RRrdrrQrdEV204RQr 04 下一页下一页例例3.知知:导体球导体球RQ介质介质r 求求:球外任一点的球外任一点的E 导体球的电势导体球的电势Vr RrPSRQ例例4 4、求电荷分布、场、求电荷分布、场强、电位移及电容。强、电位移及电容。1r 2r Sdq q 1S2S1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 解解: 关键是把自在电荷关键是把自在电荷的分布的分布 确

18、定下来。确定下来。在介质在介质1内：内：10111010101;rrEEE 在介质在介质2内：内：20222020202;rrEEE 两极板间的两极板间的电势差为：电势差为：ddEVddEVrr2022210111; 下一页下一页1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 两极板间的电势差为：两极板间的电势差为：ddEVddEVrr2022210111 21VV(1) 2211rr再由电荷守恒有：再由电荷守恒有：(2) 2211qSS联立联立(1),(2)两式两式, 得：得：221122221111;SSqSSqrrrrrr下一页下一页1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 221122221111SSqSSqrrrrrr )(221101011SSqErrr )(221102022SSqErrr )(221111101SSqEDrrrr )(221122202SSqEDrrrr )(221101SSqddEVrr dSSVqCrr)(22110 下一页下一页本讲小结本讲小结1、电介质在电场中极化，外表产生极化电荷；、电介质在电场中极化，外表产生极化电荷；2、电介质内的场强减小，电介质外的场强不变；、电介质内的场强减小，电介质外的