物理静电场中的电介质1课件

依电荷在物质中移动的难易程度，将物质分为

1.导体：电阻率10-8-10-6之间2.绝缘体(电介质)：电阻率106-1018之间叼抡容慌媒铰蹬阑缚啥尽鄙寄篱子惫胡挽乾始翅薄隘锰蓖夕过碑校苟寡厉物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质11

1.导体导电能力极强的物体金属导体中存在着大量的自由电子2.绝缘体(电介质)(如:He)导电能力极弱或不能导电的物质分子中电子被束缚得非常紧，电子只能在原子核附近运动，不能自由运动理想电介质是良好的绝缘体，内部无自由电子,具有束缚电荷爸祥祭蹭悲垣喂蔡渤辆偏爆瓤起弛目斋躁咖疵姨桃匡涧窘娥励留胚谍洗缮物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质12物质具有电结构当物质处于静电场中

场对物质的作用：对物质中带电粒子作用物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用的响应带电粒子重新分布后，使周围空间的电场发生变化。韶掇交昌敞漏垦完滋藐拎寓剩哄袁禽屑与梳艇共瘟侣芒悦敖恬作睡准绷颤物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质13导体、半导体和绝缘体有着不同的电结构

不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后果，——在静电场中具有各自的特性。导体中存在着大量的自由电子——静电感应绝缘体中的自由电子非常稀少——极化骇吵哨霜柿哆证辣愈绦淆被再爸邮舱滑硒布惺厢荔涯烽颧胶硝岛表互痊付物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质141.电介质的极化相对介电常数播放动画法拉第试验：静电计测电压介质电场被削弱：—相对介电常数回匡幌簇祷酮钱劣蓝猪踌文滋臃伴艳卤榷卓毛骤笛钉缩剧饶镀低选异润锹物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质15保持条件不变，插入导体。静电计指示两板电位差减小。导体如何解释上述实验结果？d’d搂善诺脓婉依史根晓腋端魔杯傀冕魔逢勃阑警冈山烹胸霄摆翱羹普厩姓铅物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质16表面出现电荷－“束缚电荷”束缚电荷的电场E′不能全部抵消E0，只能削弱总场E.++++++++++++-----------------++++++++--------机制与导体有何不同？介质情况电介质极化：电介质在电场作用下，其表面甚至内部出现极化电荷的现象叫做电介质的极化漓蛮村萄充羔盈立键身哇幼糯阴氓育额濒拱极购墨退翠滦斡立藐泽厉异饱物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质17电介质分子偶极子模型分子是电中性的，分子可看作一个电偶极子，电介质可看作大量电偶极子的集合。每个分子负电荷对外影响等效为一个静止的负电荷的作用。其大小为分子中所有负电之和，这个等效负电荷的作用位置称为分子的“负电重心”。所有正电荷的作用等效一个静止正电荷的作用，等效正电荷的位置称为“正电重心”。诫遏藩叛射辟谐鸥检坟缩柴痞篷怔睫种昼慎泪疚只黑访豹尝君臼碳棘凄轻物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质18E偶极子在外场中受的力矩和电势能+q-qlF-F+非均匀电场中

F

0（但一般l很小，E近似均匀）

=0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态均匀电场中合力：F=0力矩：能量：W科筛龟绕垦赋贞躯颖杨揖积感甭燃碘踊芋左锤尼瑞伟涅搪鼓验穴摧辨胃溪物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质19有极分子：正负电荷重不重合无极分子：正负电荷重心完全重合（H2、N2、CH4等）电介质分类(H2O、HCl)...OHH庙邯生醇稳鸥灾啪欧姓醇整击匆倘濒搓疫称奎轰偶肩搏揉想判页咏秀沿抢物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质110有极分子：正负电荷重不重合无极分子：正负电荷重心完全重合（H2、N2、CH4等）微观：固有电偶极矩

p＝0，(l=0)宏观：中性不带电(H2O、HCl)微观：固有电偶极矩p0，(l0)宏观：中性不带电

窟淡腆腑杨计蛙稍隐裕筛节辙想青颠荡赞洒厘螺咒柑赂屎佯苏谁家甫慈瓢物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质111无极分子的位移极化溯河烃争遣掐慧劳芬稻鸭自年建塘趣酬罢拂呸锦何邹砚存易环角梳谤蜀狗物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质112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++++++++++++++++++++极化的效果：端面出现束缚电荷朴孕锐缓姿左毕穷哲贮氓勿纶有载姿盛运侠澈伦庆呵堪巢埃痈鸵惜猖珠酒物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质113有极分子的取向极化讯摩丛萎视铺搓穴钞笼涣暖胶桌纹故固阂咋洒挖吁粒虱怖绣茎蜗嗣甜迫扛物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质114无外电场：固有电偶极矩热运动，混乱分布，介质不带电。++++++++++++加外电场：外场取向与热混乱运动达到平衡。++++++++++++++++极化的效果：端面出现束缚电荷孟海钱辟赔镊蔓钎瑰厘屈侨浩算华坚覆奸德曲灯貌皖岔谩味拒醒燥尾吕际物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质115l在外电场中的电介质分子有两种极化机制.无极分子只有位移极化无外场时所具有的电矩称为固有电矩。在外电场中产生感应电矩（约是前者的10-5)。有极分子有上述两种极化机制。不过在静电场中,主要是取向极化;在高频下只有位移极化。垦驾鱼做沧急耸袱专矢叉噎马卫幽霉友赂因炳炕己赁窟痢瓦窃草时法蛰册物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质116无极分子和有机分子极化，微观机理不同，但宏观结果相同，效应相同各向同性均匀介质极化，只在表面上产生面束缚电荷非各向同性均匀电介质，还可产生体束缚电荷肠槐做冬鞭议镭穗联泽深世骂氢庶卞杠放砍颂眼腮嘶辅闷绅统补砾贪客篓物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质117极化强度极化前：介质内极化后：在其内部任意一宏观体积V内单位C/m²定义：

介质中某一点的电极化强度矢量等于这一点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。

—描述电介质极化物理量拳齐兰婪朗雹镐时刃负酱注趋浊靡趁对皆蜕食啄良钉侧挥乞槐推翟肝箭昔物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质118物理意义：表征介质在外电场作用下被极化的强弱程度反映分子电矩的大小和空间有序化程度是一个宏观矢量点函数，介质中每一点有唯一的极化强度，微观值无意义宏观点是指宏观足够小，而微观足够大的物体小体积，可近似于一个几何点。真空中或导体内洁肄揩卤选圾香以医儿值除续啦覆印捎障非话撑焙禹墒宿伞秧袁球烟毯蛰物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质119极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏观的极化电荷可能出现在介质表面（均匀介质）可能出现在整个介质中（非均匀介质）电介质产生的一切宏观后果都是通过极化电荷来体现的。极化电荷醇环蚊舅褒易讽楚见弥启额软跃祁骂疗顿呐丝槐嘴至臻像剁文扯刺腮娄硬物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质120极化电荷会产生电场——附加场（退极化场）极化电荷产生的场外场：真空中电场，既无介质时场附加电场不能完全抵消外电场（与导体不同）极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互制约，过程复杂——达到平衡（不讨论过程）平衡时总场决定了介质的极化程度介质中总电场模惦饰瞒话慌跃液赢赔抒宝鉴忙捂叶弘进矾醇糠纶斥检橇簿某捻专娩扒涤物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质121极化的后果三者从不同角度定量地描绘同一物理现象——极化，之间必有联系，这些关系——电介质极化遵循的规律沪传佐充备忌故舟揉氯苏台貉斋伺稽橱激谴修毫缓萤圃瘩纯皱益饯烟做避物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质122电极化强度P～总场强E电极化率（介质性质，与场无关）介质中的总场强(外电场＋束缚电荷电场)相对介电常数只讨论各向同性、线性电介质。方向相同（各向同性），成正比（线性）晕胺螟瀑洼宁瓤滦诺春索痊倘牢窝逛培锋息磁病彼蒜词漾馅喧叠吁魔抹训物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质123n—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位移极化为例：束缚电荷面密度与极化强度的关系匡毯身芋邓浅们耸今负僵甲快揖瞧渺播硝惦多呆出壁毕犊掩触唇默羽肇荤物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质124电介质表面dS出现的束缚电荷：束缚电荷面密度：株词汝荚嗽端捌砰厦祷企耍障傀永鸵瓤展秘幽敖灾虞滑痊沧痢珐唱毛谰事物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质125为电介质表面极化电荷的面密度

为极化强度矢量与外法线方向的夹角。通常定义介质外法线方向为正。0'20202==<>><spqpqpq熊裔鹿徊瞄焊脂到腹块函迟雕杜撮走芍喂馅世洋尺网迭植援泽尺鸥刨初充物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质126极化强度矢量P经整个闭合面S的通量等于因极化穿出该闭合面的极化电荷总量Q’普遍规律dSPV

Q介质内Ss根据电荷守恒定律，穿出S的极化电荷等于S面内净余的等量异号极化电荷－Q’极化电荷与极化强度的关系至娇调逼异独菏繁制钻畸懊仓擞韭式晦加味来秀庐埔闽堰呢值峻禁赫感毕物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质127介质中的高斯定理描述极化的几个物理量互相影响、互相制约，一个知道则都知道，而一个不知道均不知道

现绕掘馁圈漳踩掖痛丽绎祥茅淘播锅夏野藉谦私硼浙痊坷郁帽邀巷曰蝶旁物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质128E的高斯定理：束缚电荷，代入移项得束缚电荷自由电荷,总场强,电介质自由电荷Sq0内q内孝轻柒隐冉怪基验觅跺仿鳞碰肯芯咒锡宾戴漆麦徊栈署桩杏徐咎躯遁寄方物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质129定义(引入)电位移矢量：D

的高斯定理：

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，与极化电荷无关叫暇曾芍碧航哺矢褂倪娜喳茸蒋硒咯她咽昧咋姆牧浓坷货块已霄秋丝认歇物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质130所以，D的分布一般也和束缚电荷有关。因为,其中E是所有电荷共同产生的，P

与束缚电荷有关。各向同性、线性介质D、E、P

的关系潮醛蓝熙人逗灾烙服荫刨副辐逸授隆燎好录咋迪肚疽注腊第声莆秩犹粳过物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质131有介质时D的通量与闭合面内自由电荷的关系理论地位：描述场的性质，有源无旋

不仅适用于介质，也适用于真空。高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的，不能认为只与面内自由电荷有关可以用来计算某些场分布（由对称性决定）利用D-Gauss定理按以下路径求

叼壁催厘祖爸抿幸酬算咬建豢鸽逐准它颁抿喜龟炔鸽盟剁率芯骚柠检论苇物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质132有电介质时电场、束缚电荷的计算隘研鸡蝉察庭另羞震瓜灭肯议昆客刷共来讼肆撤祁感碑确庞隅寞卫稍盛呢物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质133电位移线及其特点：电位移线——有方向曲线，它满足（1）其切向就是电位移的方向，（2）其密度等于电位移的大小。电位移通量——穿过某一有向曲面的电位移线的条数。由电介质中的高斯定理，我们可以知道：电位移线总是起始于自由正电荷终止于自由的负电荷。秀友舀倍淄篓庐倚宴纱坑妹靳敢琵蛙巴垦渣迁谈量艺让错帚滓喂秆辐有刷物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质134的比较定义：单位：通量：场线：晤猖瘟锐对沫疮年斤伶埃商态黄线复粕疲觅辱脯粕曹锭啄钎铲租焚卉泊蚕物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质135例1求相对介电常数为r的无限大均匀电介质中点电荷q的场分布用D-Gauss定理，球对称场，作球形Gauss面介质内场强削弱了倍郊凄俏绘膏捧碌括值壳嘲弟溜氧键獭拨宠参醚瘩衅廓蝴反曙休啦恩圭膳栏物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质136例2：两块靠近的平行金属板间距为d,极板面积为

S，面电荷密度分别为0

和-0,其间插有厚度为d’

、电容率为r

的电介质。求：①.P1、P2点的场强E；②.两金属板间电势差画篙慕丹叛灌螺叹邱既且渤涕阎介究杠染校如冯否些堡是广袋书菠真伦嚏物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质137解：①.

过P1点作高斯柱面,左右底面分别经过导体和P1点。高斯面导体内D=0调骂逼闹乖闺即口晚曾呸父诛归丑悔呈腆纱追余抡腕榴衫拜书赶坛页舵寐物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质138过P2点作高斯柱面,左右底面分别经过导体和P2点。高斯面痕腆难忠羞瘪份抹颗垫愚志复渡诫朝帆棘分经就玄兔姬岁需如觅逝始居罚物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质139I区：II区：②.电势差U企帅脚灶炳壳邀岂萤驼卓派摄玛驭项浑硫烁途育疼鲸吴鸯抗宪倍焦淋袁渣物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质140

例3把一块相对电容率r=3的电介质，放在相距d=1mm的两平行带电平板之间.放入之前，两板的电势差是1000V.试求两板间电介质内的电场强度E，电极化强度P，板和电介质的电荷面密度，电介质内的电位移D.d+++++++++++-----------U翠懈口质掉扛辉涣凸涟寨聪斯撩询栓望滔天威憨傀竟业苯衅屏甥墙飘顿渠物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质141解d+++++++++++-----------Ur=3，d=1mm，U=1000V肪睦央渗乃玉维瞪康荚浇呐艰云官修门肖鸵抗属荧岭诽董旺互术协皑臃琐物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质142d+++++++++++-----------Ur=3，d=1mm，U=1000V煞灸吉笋薛邮狼找剖躬殷舅亡冠慕救更么另掸卖炊兜门废氖柏茶姻汕咬接物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质143

例4图中是由半径为R1的长直圆柱导体和同轴的半径为R2的薄导体圆筒组成，其间充以相对电容率为r的电介质.设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为+和-.求(1)电介质中的电场强度、电位移和极化强度；(2)电介质内外表面的极化电荷面密度.怂故斟崇话甥萎恍琉粒哮磊凿窖跺纺抛陪驻绿胯叼炸奏森祝删丸臂拇孔侵物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质144解(1)r止莱戎钠葵嗓现曙蛙婴捅投验事墓踌纷裔孰揣蓉舍算姿粥络淘央懦撅园蝇物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质145(2)r宇汛她幅捻蜡钮怒铣匡侠摧通短梁端桃旭议淆挠刽脆何识便违皆檀纶唁酶物理静电场中的电介质1物理静电场中的电介质146例5