《電介質(zhì)極化》PPT課件

1、第四章第四章 電磁介質(zhì)電磁介質(zhì) n 電介質(zhì)電介質(zhì) n 磁介質(zhì)磁介質(zhì)(一）一）分子電流觀點(diǎn)分子電流觀點(diǎn) n 磁介質(zhì)磁介質(zhì)(二）二）磁荷觀點(diǎn)磁荷觀點(diǎn) 閱讀閱讀 n 兩種觀點(diǎn)等價(jià)性兩種觀點(diǎn)等價(jià)性 閱讀閱讀 n 磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理磁介質(zhì)的磁化規(guī)律和機(jī)理 n 導(dǎo)體、電磁介質(zhì)界面上的邊界條件導(dǎo)體、電磁介質(zhì)界面上的邊界條件 n 電磁能電磁能 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 本章有機(jī)會(huì)處理本章有機(jī)會(huì)處理 場場 物質(zhì)物質(zhì) 物質(zhì)與場是物質(zhì)存在的兩種形式物質(zhì)與場是物質(zhì)存在的兩種形式 物質(zhì)性質(zhì)：物質(zhì)性質(zhì)： 非常復(fù)雜（只能初步地討論）非常復(fù)雜（只能初步地討論） 要特別注意課程中討論這種問題所加的限制要特別注意

2、課程中討論這種問題所加的限制 相互作用相互作用 場場 物質(zhì)物質(zhì) 有響應(yīng)？有響應(yīng)？ 有作用？有作用？ 物質(zhì)固有的電物質(zhì)固有的電 磁結(jié)構(gòu)磁結(jié)構(gòu) 自由電荷：宏觀移動(dòng)自由電荷：宏觀移動(dòng) 束縛電荷：極化束縛電荷：極化 磁介質(zhì)磁化磁介質(zhì)磁化 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 電介質(zhì)電介質(zhì) p283 4-2、3、7、9、12、14、15 物質(zhì)具有電結(jié)構(gòu)物質(zhì)具有電結(jié)構(gòu) 當(dāng)物質(zhì)處于靜電場中當(dāng)物質(zhì)處于靜電場中 場對(duì)物質(zhì)的作用：對(duì)物質(zhì)中的帶電粒子作用場對(duì)物質(zhì)的作用：對(duì)物質(zhì)中的帶電粒子作用 物質(zhì)對(duì)場的響應(yīng)：物質(zhì)中的帶電粒子對(duì)電場力的作用物質(zhì)對(duì)場的響應(yīng)：物質(zhì)中的帶電粒子對(duì)電場力的作用 的響應(yīng)的響應(yīng) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕

3、緣體有著不同的固有電結(jié)構(gòu)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體有著不同的固有電結(jié)構(gòu) 不同不同的物質(zhì)會(huì)對(duì)電場作出的物質(zhì)會(huì)對(duì)電場作出不同不同的響應(yīng)，產(chǎn)生不同的后的響應(yīng)，產(chǎn)生不同的后 果，果，在靜電場中具有各自的特性在靜電場中具有各自的特性。 導(dǎo)體中存在著大量的自由電子導(dǎo)體中存在著大量的自由電子靜電平衡靜電平衡 絕緣體中的自由電子非常稀少絕緣體中的自由電子非常稀少極化極化 半導(dǎo)體中的參與導(dǎo)電的粒子數(shù)目介于兩者之間。半導(dǎo)體中的參與導(dǎo)電的粒子數(shù)目介于兩者之間。 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制 無極分子：正負(fù)電荷中心完全無極分子：正負(fù)電荷中心完全 重合重合(H2、N2) 微觀

4、：電偶極矩微觀：電偶極矩p分子 分子 0，(l=0) 宏觀：宏觀： 中性不帶電中性不帶電 n有極分子：正負(fù)電荷中心不重有極分子：正負(fù)電荷中心不重 合合(H2O、Hcl) n微觀：電偶極矩微觀：電偶極矩p分子 分子 0， ，(l 0) n宏觀：中性不帶電宏觀：中性不帶電 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 無極分子無極分子 有極分子有極分子 極化性質(zhì)極化性質(zhì) 位移極化位移極化 取向極化取向極化 后果：出現(xiàn)極化電荷（不能自由移動(dòng)）后果：出現(xiàn)極化電荷（不能自由移動(dòng)）束縛電荷束縛電荷 0 0 E 0 0 E 0 分子 p 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 V p P V 分子 0 lim 極化的

5、描繪：極化的描繪：P、q、E 極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量P：描述介質(zhì)在外電場作用：描述介質(zhì)在外電場作用 下被極化的強(qiáng)弱程度的物理量下被極化的強(qiáng)弱程度的物理量 定義：單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和定義：單位體積內(nèi)電偶極矩的矢量和 介質(zhì)的體積，宏介質(zhì)的體積，宏 觀小微觀大（包觀小微觀大（包 含大量分子）含大量分子） 介質(zhì)中一點(diǎn)的介質(zhì)中一點(diǎn)的 P(宏觀量宏觀量 ) 微觀量微觀量 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 極化電荷極化電荷 極化后果：從原來處處電中性變成出現(xiàn)了宏極化后果：從原來處處電中性變成出現(xiàn)了宏 觀的極化電荷觀的極化電荷 可能出現(xiàn)在介質(zhì)表面可能出現(xiàn)在介質(zhì)表面 （均勻介質(zhì)）面分布（均勻介質(zhì)）面

6、分布 可能出現(xiàn)在整個(gè)介質(zhì)中可能出現(xiàn)在整個(gè)介質(zhì)中 （非均勻介質(zhì)）體分布（非均勻介質(zhì)）體分布 ）、 ( q n 極化電荷會(huì)產(chǎn)生電場極化電荷會(huì)產(chǎn)生電場附加場（退極化場附加場（退極化場 ） 0 EEE 極化電荷極化電荷 產(chǎn)生的場產(chǎn)生的場 外場外場 n 極化過程中：極化電荷與外場相互影響、相極化過程中：極化電荷與外場相互影響、相 互制約，過程復(fù)雜互制約，過程復(fù)雜達(dá)到平衡（不討論過程達(dá)到平衡（不討論過程 ） n平衡時(shí)總場決定了介質(zhì)的極化程度平衡時(shí)總場決定了介質(zhì)的極化程度 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 退極化場退極化場E 附加場附加場E E： 在電介質(zhì)內(nèi)部：附加場與外電場方向相反，削弱在電介質(zhì)內(nèi)部：

7、附加場與外電場方向相反，削弱 在電介質(zhì)外部：附加場與外電場方向相同，加強(qiáng)在電介質(zhì)外部：附加場與外電場方向相同，加強(qiáng) 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 極化的后果極化的后果 三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象三者從不同角度定量地描繪同一物理現(xiàn)象 極化，極化，之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系之間必有聯(lián)系，這些關(guān)系 電介質(zhì)極化遵循的規(guī)律電介質(zhì)極化遵循的規(guī)律 描描繪繪極極化化 ) , ( 0EEE q P 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 P與與q的關(guān)系的關(guān)系 n 以位移極化為模型討論以位移極化為模型討論 n設(shè)介質(zhì)極化時(shí)每一個(gè)分子中的設(shè)介質(zhì)極化時(shí)每一個(gè)分子中的 正電荷中心相對(duì)于負(fù)電荷中心有正電荷中心相

8、對(duì)于負(fù)電荷中心有 一位移一位移l ,用用q代表正、負(fù)電荷的電代表正、負(fù)電荷的電 量量, ,則一個(gè)分子的電偶極矩則一個(gè)分子的電偶極矩 l qP分子 n設(shè)單位體積內(nèi)有設(shè)單位體積內(nèi)有n 個(gè)分子個(gè)分子 有有 n個(gè)電偶極子個(gè)電偶極子 lnqPnP分子 n在介質(zhì)內(nèi)部任取一面元矢量在介質(zhì)內(nèi)部任取一面元矢量 dS, n必有電荷因?yàn)闃O化而移動(dòng)從而必有電荷因?yàn)闃O化而移動(dòng)從而 穿過穿過 dS, n該柱體內(nèi)極化電荷的總量為該柱體內(nèi)極化電荷的總量為 ： cosdSlV SdPSdlnq nqldSVnq cos P在在dS上的通量上的通量 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 對(duì)于介質(zhì)中任意閉合面對(duì)于介質(zhì)中任意閉合面P

9、 P的通量的通量= =？ 取一任意閉合曲面取一任意閉合曲面S 以曲面的外法線方向以曲面的外法線方向n為正為正 極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量P經(jīng)整個(gè)閉合面經(jīng)整個(gè)閉合面S的通量等于的通量等于 因極化因極化穿出穿出該閉合面的極化電荷總量該閉合面的極化電荷總量 q 根據(jù)電荷守恒定律，穿出根據(jù)電荷守恒定律，穿出S的極化電荷等的極化電荷等 于于S面內(nèi)凈余面內(nèi)凈余的等量異號(hào)極化電荷的等量異號(hào)極化電荷 q 內(nèi)面穿出SS S qqSdP n 均勻介質(zhì)：介質(zhì)性質(zhì)不隨空間變化均勻介質(zhì)：介質(zhì)性質(zhì)不隨空間變化 n進(jìn)去進(jìn)去= =出來出來閉合面內(nèi)不出現(xiàn)凈電荷閉合面內(nèi)不出現(xiàn)凈電荷 0 0 n非均勻介質(zhì)：進(jìn)去非均勻介質(zhì)：進(jìn)去 出來

10、，閉合面內(nèi)凈電荷出來，閉合面內(nèi)凈電荷 0 0 n 均勻極化：均勻極化：P是常數(shù)是常數(shù) 普遍規(guī)律普遍規(guī)律 可以證明可以證明 注意區(qū)分注意區(qū)分 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 微微 分分 形形 式式 介質(zhì)中任意一點(diǎn)的極化強(qiáng)度矢量的散度等介質(zhì)中任意一點(diǎn)的極化強(qiáng)度矢量的散度等 于該點(diǎn)的極化電荷密度于該點(diǎn)的極化電荷密度 均勻極化的電介質(zhì)內(nèi)部均勻極化的電介質(zhì)內(nèi)部 內(nèi)S S qSdP V dV dV V P V dV P 0，常數(shù)常數(shù)P 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 dSnPSdlnq nqldSdS e cos 均勻介質(zhì)中均勻介質(zhì)中P與與 e的關(guān)系的關(guān)系 在均勻介質(zhì)表面取一面元如圖在均勻介質(zhì)

11、表面取一面元如圖 則因極化而穿過面元?jiǎng)t因極化而穿過面元dS的極化電荷數(shù)量為的極化電荷數(shù)量為 出出現(xiàn)現(xiàn)正正電電荷荷0,90 ne PnP 出現(xiàn)負(fù)電荷出現(xiàn)負(fù)電荷0,90 ne PnP 極化強(qiáng)極化強(qiáng) 度矢量度矢量 在介質(zhì)在介質(zhì) 表面的表面的 法向分法向分 量量 nP e 電荷層的體積電荷層的體積 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量P與總場強(qiáng)與總場強(qiáng)E的關(guān)系的關(guān)系 極化規(guī)律極化規(guī)律 猜測猜測E E與與P P可能成正比（但有條件）可能成正比（但有條件）兩者成線性兩者成線性 關(guān)系（有的書上說是實(shí)驗(yàn)規(guī)律，實(shí)際上沒有做多少關(guān)系（有的書上說是實(shí)驗(yàn)規(guī)律，實(shí)際上沒有做多少 實(shí)驗(yàn)，可以說是

12、定義）實(shí)驗(yàn)，可以說是定義） )( 0EqE e 介介質(zhì)質(zhì)極極化化 極化電荷極化電荷 產(chǎn)生的附產(chǎn)生的附 加場加場 退極化場退極化場 影響影響 0EEE EP e0 電極化率：由物質(zhì)的屬性決定電極化率：由物質(zhì)的屬性決定 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 電電 極極 化化 率率 P與與E 是否成比例是否成比例 凡滿足以上關(guān)系的介質(zhì)凡滿足以上關(guān)系的介質(zhì)線性介質(zhì)線性介質(zhì) 不滿足以上關(guān)系的介質(zhì)不滿足以上關(guān)系的介質(zhì)非線性介質(zhì)非線性介質(zhì) 介質(zhì)性質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)是否隨空間坐標(biāo)變是否隨空間坐標(biāo)變 （空間均勻性）（空間均勻性） e常數(shù)：均勻介質(zhì)；常數(shù)：均勻介質(zhì)； e坐標(biāo)的函數(shù)：非均勻介質(zhì)坐標(biāo)的函數(shù)：非均勻介質(zhì) 介質(zhì)性

13、質(zhì)是否隨空間方位變（方向均勻性）介質(zhì)性質(zhì)是否隨空間方位變（方向均勻性） e標(biāo)量：各向同性介質(zhì)；標(biāo)量：各向同性介質(zhì)； e張量：各向異性介質(zhì)張量：各向異性介質(zhì) 以上概念是從三種不同的角度來描述介質(zhì)的性質(zhì)以上概念是從三種不同的角度來描述介質(zhì)的性質(zhì) 空氣：各向同性、線性、非均勻介質(zhì)空氣：各向同性、線性、非均勻介質(zhì) 水晶：各向異性、線性介質(zhì)水晶：各向異性、線性介質(zhì) 酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇：各向同性非線性介質(zhì)酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇：各向同性非線性介質(zhì)鐵電體鐵電體 EP e0 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 鐵電體鐵電體 鐵電體的極化特征：鐵電體的極化特征： 極化狀態(tài)不僅決定于電場，還與極化歷史有關(guān)，其性質(zhì)類

14、極化狀態(tài)不僅決定于電場，還與極化歷史有關(guān)，其性質(zhì)類 似于鐵磁體似于鐵磁體 電滯回線：鐵電體極化過程中極化強(qiáng)度矢量電滯回線：鐵電體極化過程中極化強(qiáng)度矢量P P隨外場的變隨外場的變 化曲線是非線性的，類似于鐵磁體的磁滯回線（如圖）化曲線是非線性的，類似于鐵磁體的磁滯回線（如圖） n 鐵電體是一類特殊的電介質(zhì)，其電容率的特點(diǎn)是：鐵電體是一類特殊的電介質(zhì)，其電容率的特點(diǎn)是： n數(shù)值大、非線性效應(yīng)強(qiáng)；數(shù)值大、非線性效應(yīng)強(qiáng)； n有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性；有顯著的溫度依賴性和頻率依賴性； n有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)有很強(qiáng)的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng) n作為重要的功能材料作為重要的功能材料 n絕緣和儲(chǔ)

15、能方面；絕緣和儲(chǔ)能方面； n換能、熱電探測、電光調(diào)制；換能、熱電探測、電光調(diào)制； n非線性光學(xué)、光信息存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理等非線性光學(xué)、光信息存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理等 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 鐵 電 體鐵 電 體 極 化 的極 化 的 微 觀 機(jī)微 觀 機(jī) 制制 有鐵電體特征的晶體內(nèi)部存在著各個(gè)不同方向的有鐵電體特征的晶體內(nèi)部存在著各個(gè)不同方向的 自發(fā)極化小區(qū)域自發(fā)極化小區(qū)域 在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)，極化均勻、方向相同，存在一 固有電矩固有電矩電疇電疇 電疇是不能任意取向的，只能沿著晶體的幾個(gè)特電疇是不能任意取向的，只能沿著晶體的幾個(gè)特 定的晶向取向，即取決于

16、鐵電晶體原型結(jié)構(gòu)的對(duì)定的晶向取向，即取決于鐵電晶體原型結(jié)構(gòu)的對(duì) 稱性稱性 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）晶片，）晶片， 自發(fā)極化方向可以與三個(gè)自發(fā)極化方向可以與三個(gè) 結(jié)晶軸的任一個(gè)同方向結(jié)晶軸的任一個(gè)同方向 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 感應(yīng)、極化感應(yīng)、極化 自由、束縛自由、束縛 感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷：導(dǎo)體中自由電荷在外電場作用下作宏：導(dǎo)體中自由電荷在外電場作用下作宏 觀移動(dòng)使導(dǎo)體的電荷重新分布觀移動(dòng)使導(dǎo)體的電荷重新分布感應(yīng)電荷、感感應(yīng)電荷、感 應(yīng)電場應(yīng)電場 特點(diǎn)：特點(diǎn)：導(dǎo)體中的感應(yīng)電荷是自由電荷導(dǎo)體中的感應(yīng)電荷是自由電荷，可以從導(dǎo)體的，可以從導(dǎo)體的 一處轉(zhuǎn)移到另一處，也可以通過導(dǎo)線從一個(gè)

17、物體傳遞一處轉(zhuǎn)移到另一處，也可以通過導(dǎo)線從一個(gè)物體傳遞 到另一個(gè)物體到另一個(gè)物體 極化電荷極化電荷：電介質(zhì)極化產(chǎn)生的電荷：電介質(zhì)極化產(chǎn)生的電荷 特點(diǎn)：極化電荷起源于原子或分子的極化，因而總是特點(diǎn)：極化電荷起源于原子或分子的極化，因而總是 牢固地束縛在介質(zhì)上，既不能從介質(zhì)的一處轉(zhuǎn)移到另牢固地束縛在介質(zhì)上，既不能從介質(zhì)的一處轉(zhuǎn)移到另 一處，也不能從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。一處，也不能從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。若使電若使電 介質(zhì)與導(dǎo)體接觸，極化電荷也不會(huì)與導(dǎo)體上的自由電介質(zhì)與導(dǎo)體接觸，極化電荷也不會(huì)與導(dǎo)體上的自由電 荷相中和荷相中和。因此往往稱。因此往往稱極化電荷為束縛電荷極化電荷為束縛電荷。

18、2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 束縛電荷束縛電荷 ？ 極化電荷極化電荷 用用摩擦摩擦等方法使絕緣體帶電等方法使絕緣體帶電 絕緣體上的電荷絕緣體上的電荷束縛電荷束縛電荷 并非起源于極化，因而可能與自由電荷中和并非起源于極化，因而可能與自由電荷中和 實(shí)際上它是一種實(shí)際上它是一種束縛在絕緣體上的自由電荷束縛在絕緣體上的自由電荷 介質(zhì)在隨時(shí)間變化的電場作用下介質(zhì)在隨時(shí)間變化的電場作用下 由由極化極化產(chǎn)生的極化電荷產(chǎn)生的極化電荷束縛電荷（約束在原子范圍內(nèi)束縛電荷（約束在原子范圍內(nèi) ） 不可能與自由電荷中和不可能與自由電荷中和 它能移動(dòng)并產(chǎn)生電流它能移動(dòng)并產(chǎn)生電流極化電流，由極化電流，由 P/ t決

19、定決定 自由、束縛自由、束縛是指電荷所處的是指電荷所處的狀態(tài)狀態(tài)； 感應(yīng)、極化或摩擦起電感應(yīng)、極化或摩擦起電是指產(chǎn)生電荷的是指產(chǎn)生電荷的原因原因 否否 ！ 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 例題一：求沿軸均勻極化電介質(zhì)圓棒上例題一：求沿軸均勻極化電介質(zhì)圓棒上 極化電荷分布極化電荷分布 P是常數(shù)是常數(shù) P e , 0 P e , 0, 2 e 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 例題二例題二:求一均勻極化的電介求一均勻極化的電介 質(zhì)球表面上極化電荷質(zhì)球表面上極化電荷 (p212)和和 退極化場退極化場 已知極化強(qiáng)度矢量已知極化強(qiáng)度矢量P 均勻極化均勻極化P為常數(shù)為常數(shù) 球關(guān)于球關(guān)于z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 其表面任意一點(diǎn)的極化電荷面密度其表面任意一點(diǎn)的極化電荷面密度 e 只與只與 有關(guān)有關(guān),則則 有有 最最大大 9 90 0左左半半球球 9 90 0右右半半球球 ee e e e P 00, 2 0, 0, cos ，、， ， ， 2005.4北京大學(xué)物理學(xué)院王稼軍編 求極化電荷在球心求極化電荷在球心O處產(chǎn)生的退極化場處產(chǎn)生的退極化場 即已知電荷分布求場強(qiáng)的問題即已知電荷分布求場強(qiáng)的問題 電荷是面分布，電荷是面分布， 可以在球坐標(biāo)系中取面元可以在球坐標(biāo)系中取面元dS dS上的極化電荷上的極化電荷 ddPRdSPdSdqsincosco