电磁学 静电场中的介质2.ppt

1、第4章静电场中的电介质，4.1。电介质对电场的影响，4.2。高斯定理与电介质，4.3。电容器及其电容，4.4。电容器和电场的能量，4.1。电介质对电场的影响，1。电介质的显微图像，1。电介质：由大量电中性分子组成的绝缘体。当非极性分子：没有外电场时，正负电荷中心重合，整个分子没有固有的电矩。极性分子：正负电荷中心不重合，这相当于一个电偶极，并有一个固有的电矩。2.介电分子：例如，CO2，O2，He，例如，Hcl，CO，SO2。2.电场存在下介电分子的极化：2.介电分子对电场的影响：取向极化；取向极化具有极性分子的极化；由于热运动，这种取向只能是局部的，并遵守统计规律。非极性分子的感应电矩约为极

2、性分子固有电矩的10-5倍，方向与外加电场相同。外部电场越强，感应的电矩越大。由位移极化引起的非极性分子的极化，以及第三，极化电荷。结论：极化的总效应是电荷在介质边缘的分布，称之为束缚电荷或极化电荷，因为这些电荷仍然束缚在每个分子中。外部电场越强，电介质表面的束缚电荷越多。3.描述极化强度的物理量-极化强度、单位、分子的电偶极矩、由无电极分子组成的电介质以及极化强度随着外部电场的增加而增加。实验表明，当电介质中的电场不太强时，各种各向同性电介质的极化强度与电场强度成正比，并具有相同的方向。是电介质的相对介电常数、电介质击穿、电介质强度(P74)；4.电介质对电场的影响；是电介质的特征常数，称为

3、电介质的相对介电常数，在真空中，在空气中，无限均匀介质中的点电荷场，介电常数，定义，单位C/m2没有直接的物理意义。首先，电位移矢量，e=e0er，称为电介质的介电常数；4.2高斯定理与介质，表达式：自由电荷的代数和；第二，高斯定理与介质；1)介质静电场的性质方程；2)在求解领域的应用。在相对介电常数为r .的对称情况下，可以用高斯定理解决这个问题，并求出：板之间的场强。例1，溶液：束缚电荷出现在均匀极化的表面上。平行板电容器，自由电荷区的密度为0、并且从高斯定理可知在有介质存在时，我们可以使高斯平面如图所示，由此可知，E0是无介质时的场强，4.3电容器及其电容，1。隔离导体的电容和电势，导体

4、的一个重要特性是其容纳电荷的能力。隔离导体球的电势，定义电容：2)国际单位：法拉(F)，1)电容仅与几何因素和介质有关，表示导体的固有电容，真空中半径为R的隔离导体球的电容，获得的电容，隔离导体球的半径R=？从孤立导体的球形电容公式可知，用孤立导体作为电容是不经济的。真空中隔离导体球的电容；2.电容器及其电容。电容器由两个彼此分开的金属导体组成，两个相对的面称为电容器的两个极板。根据高斯定理，当一个极板充有Q时，另一个极板充有相同的电量，但数量不同根据实验可知，两个极板之间的电位差U=U -U- Q定义了电容器的电容，它与Q和U无关，典型电容器的电容计算为：1。平行板电容器：其电容仅与结构和介

5、质有关；2.球形电容器：同心金属球和金属球壳。3.圆柱形电容器的电容(LR2-R1)，单位长度的电荷为，圆柱形、电容仅与结构和介质有关，1。平行板电容器：2。球形电容器：同心金属球和金属球壳，3。圆柱形电容器(LR2-R1)的电容，仅与介质和电容器结构有关，在真空中，电容器中常用电介质的类型：纸、云母、陶瓷、聚酯、单片、球形电容器、平行板电容器、圆柱形电容器，电容器的性能指标，1。电容器电容，2。电容器的耐压。当一个电容器不能满足实际电路需要时，可以连接几个电容器使用。电容器的两种基本连接方法，串联和并联，4。电容器的串联和并联，并联电容器的电容增加，耐压能力受耐压能力最小的电容限制，串联电容

6、器的电容增加和减少，并联电容器的电容等于所有电容器的总和。串联电容的总电容的倒数等于每个串联电容的倒数之和。当电容器的性能不满足时，通常采用串联和并联的方式来提高其性能。如果串联使用，可以提高耐压；并联使用可以提高电容。这里我们从电容器的能量来解释电场的能量。4.4、电容器能量和电场能量，电容器充放电的过程是从电源到电器(如灯泡)的能量消耗过程。充电后，电容器的电荷为q，电压为u。此时电容器有什么能量？电容器放电过程中，在电场力的作用下，电量从正极板到负极板，因此电容器储存的能量为：电容器储存的能量，以及电容器储存的能量与电场量的关系(以平行板电容器为例)。结果表明，电容器的能量与极板间的电场

7、有关，也与电场存在的空间有关，电场携带能量。电场的能量密度为：并且它的能量为：对于任何电场，例如，计算导体球壳的电场能量，例如，假设电量Q在真空中均匀分布在半径为R的球体中，试着计算它的电场能量。电场的能量密度是：当电介质存在时，任何电场的能量都是：当电介质存在时，记住下面的结论：例如：平板电容器的面积为s，距离为d，用电源充电后，两个平板分别充电到q和-q，断开电源，然后拉两个平板到2d，并试图找出外力克服了电力所做的功。两个极板之间的相互作用？根据功能原理，外力的功等于系统能量的增量，电容器在两种状态下储存的能量之差等于外力的功。在初始状态，在最终状态，如果电容器极板被拉开两倍的距离，所需

8、外力的功等于电容器的原始能量。2)，极板以恒定的场强充电，并且作用力是恒定的。两个导体球A和B的半径分别为R1=0.5m和R2=1.0m，中间用导线连接。两个球分别被内径为R=1.2m(与导线绝缘)的同心导体球壳覆盖并接地，导体之间的介质为空气。众所周知，空气的击穿场强为3106伏/米，这使得A球和B球的电量逐渐增加。计算：(1)这个系统首先在哪里被分解？(2)故障时两个球的总功率是多少？(假设电线本身没有充电并且对电场没有影响，操作P69 5，1。C1。两个空气电容器C1和C2并联连接到用于充电的电源。然后断开电源，在C1插入一个电介质，那么C1和C2板的电量就不会改变。(b)C1板块的电量

9、将增加，但C2板块的电量不会改变。(c)C1板块上的电量将增加。C2板块的电量减少了。C1板块的电减少，而C2板块的电增加。停电后，总电量保持不变，两个电容器的电压相等。2.空气电容器C1和C2串联到电源上进行充电，保持电源连接，然后在C1插入一个介电板，这样C1和之间的电位差减小，C2的电增加。C1的电位差减小，而C2的电量保持不变；(三)电位差(三)C1增加，C2电量减少；C1的电位差增加，但C2的电量保持不变。串联的电量是一样的。3.C1和C2的电容分别为200pF(电容)、500v(耐压)和300pF、900v。如果它们串联并且两端都施加1000伏电压，(A) C1被击穿，但C2没有击

10、穿；(二)C2崩溃了，C1没有崩溃；两者都被分解；(d)两者均未分解。平行板电容器被充电，从电源断开，然后填充具有相对介电常数的各向同性均匀电介质。与介质充电前相比，其电容c、两极板间的电位差U12和电场能量变化如下：(a)cu12we(b)cu12we(c)cu12we(d)cu12we(b)，5。在真空中有一个不带电荷的导体球，现在带电量q的点电荷被放置在球的外部，距离球的中心一段距离，以计算导体球的电势。6。带电的球形导体放置在任意形状的空腔导体中。当两个导体通过导线连接时，系统的静电能量C(A)与连接前相比没有变化；增加；减少；如何改变还不确定。7.同心导体球和导体球壳周围电场的电力线分布如图所示。从电力线分布可以知道，球壳所带的总电量是：(d)不能确定。8个金属球A和同心球壳B构成一个电容器，球A上有电荷q，壳B上有电荷q，球壳间测得的电位差为UAB，表明电容器的电容值为：(B)、(C)、(D)、(A)、(A)、(9)两个半径分别为r和r的金属球相距较远，使用一个，两个球表面的电荷面密度之比为：(A)、(B)、(C)、(D)、(D)、10。真空中有一个均匀带电的球体和一个均匀带电的球体。如果