【物理】電介質(zhì)、4電位移ppt課件

1、場源電荷靜電場靜電場導(dǎo)導(dǎo)體體靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)靜電平衡靜電平衡感應(yīng)電荷感應(yīng)電荷EV下一頁下一頁：t./ ；:；2 導(dǎo)體中含有許多可以自在挪動的電子或離子。導(dǎo)體中含有許多可以自在挪動的電子或離子。然而也有另一類物質(zhì)電子被束縛在本身所屬的原子核然而也有另一類物質(zhì)電子被束縛在本身所屬的原子核周圍或夾在原子核中間，這些電子可以相互交換位置，周圍或夾在原子核中間，這些電子可以相互交換位置，多少活動一些，但是不能四處挪動，這類就是所謂的多少活動一些，但是不能四處挪動，這類就是所謂的非導(dǎo)體或絕緣體。絕緣體不能導(dǎo)電，但電場可以在其非導(dǎo)體或絕緣體。絕緣體不能導(dǎo)電，但電場可以在其中存在，并且在電學(xué)中起著重要的作用。

2、中存在，并且在電學(xué)中起著重要的作用。從電場這一角度看，特別地把絕緣體叫做電介質(zhì)。從電場這一角度看，特別地把絕緣體叫做電介質(zhì)。從它們在電場中的行為看：有位移極化和取向極化。從它們在電場中的行為看：有位移極化和取向極化。下面將逐一討論。下面將逐一討論。從電學(xué)性質(zhì)看電介質(zhì)的分子可分為兩類：從電學(xué)性質(zhì)看電介質(zhì)的分子可分為兩類：無極分子、無極分子、 有極分子。有極分子。下一頁下一頁9-3 靜電場中的電介質(zhì)靜電場中的電介質(zhì)一一. 何謂電介質(zhì)何謂電介質(zhì)?通常條件下的絕緣物質(zhì)通常條件下的絕緣物質(zhì).二二. 提高電容器電容的一種方法提高電容器電容的一種方法填充電介質(zhì)填充電介質(zhì)電容電容C0電勢差電勢差V0真空時真空

3、時+q-q電容電容C電勢差電勢差V填滿介質(zhì)時填滿介質(zhì)時+q-q1,1100rrCCVV電容提高了！電容提高了！為什么？。為什么？。VqC下一頁下一頁電介質(zhì)的電容率又稱為介電常數(shù)電介質(zhì)的電容率又稱為介電常數(shù) 。212120108542841mNCk 有些介質(zhì)如各向同性均勻電介質(zhì)，其介電有些介質(zhì)如各向同性均勻電介質(zhì)，其介電系數(shù)是常數(shù)；系數(shù)是常數(shù)； =而有些介質(zhì)其介電系數(shù)是與電場強度、空間方而有些介質(zhì)其介電系數(shù)是與電場強度、空間方向等要素有關(guān)的變量，普通是一個張量。向等要素有關(guān)的變量，普通是一個張量。下一頁下一頁r 稱為某種介質(zhì)的相對介電常數(shù)稱為某種介質(zhì)的相對介電常數(shù) ,又稱為相又稱為相對電容率對電

4、容率 。真空的介電常數(shù)真空的電容率真空的介電常數(shù)真空的電容率 rr00,r1真空真空r = r = 1 1導(dǎo)體導(dǎo)體r 三三. . 電介質(zhì)的微觀構(gòu)造及其分類電介質(zhì)的微觀構(gòu)造及其分類電子云的電子云的負(fù)電中心負(fù)電中心正電荷的正電荷的等效中心等效中心定義：分子電矩定義：分子電矩由分子或原子中由分子或原子中的正負(fù)電荷中心決議的正負(fù)電荷中心決議的電偶極子的電偶極的電偶極子的電偶極矩，用矩，用 表示。表示。eP下一頁下一頁2 2有極分子類：分子內(nèi)正負(fù)電荷中心不重合有極分子類：分子內(nèi)正負(fù)電荷中心不重合; Pe0 ; Pe0 ;1 1無極分子類：分子內(nèi)正負(fù)電荷中心重合；無極分子類：分子內(nèi)正負(fù)電荷中心重合；Pe=

5、0 ;Pe=0 ;CH+H+H+H+正負(fù)電荷正負(fù)電荷中心重合中心重合甲烷分子甲烷分子4CH+正電荷中心正電荷中心負(fù)電荷負(fù)電荷中心中心H+HO水分子水分子OH2eP0 eP電介質(zhì)的分類電介質(zhì)的分類0eP下一頁下一頁中性的電介質(zhì)在外電場的作用下，體內(nèi)或外表出中性的電介質(zhì)在外電場的作用下，體內(nèi)或外表出現(xiàn)凈電荷的景象，稱為介質(zhì)的極化。現(xiàn)凈電荷的景象，稱為介質(zhì)的極化。因極化產(chǎn)生的電荷稱為極化電荷，或束縛電荷因極化產(chǎn)生的電荷稱為極化電荷，或束縛電荷; ;對于各向同性、均勻電介質(zhì)，極化電荷僅產(chǎn)生在介對于各向同性、均勻電介質(zhì)，極化電荷僅產(chǎn)生在介質(zhì)外表，介質(zhì)內(nèi)部處處無凈電荷。質(zhì)外表，介質(zhì)內(nèi)部處處無凈電荷。比較而

6、言比較而言, , 導(dǎo)體所帶的電荷稱為自在電荷導(dǎo)體所帶的電荷稱為自在電荷. .四、介質(zhì)的極化四、介質(zhì)的極化-外電場對介質(zhì)的作用外電場對介質(zhì)的作用 下面研討的介質(zhì)各向同性、均勻電介質(zhì)滿下面研討的介質(zhì)各向同性、均勻電介質(zhì)滿足以下條件之一足以下條件之一 ：1 1無限大電介質(zhì)充溢電場空間；或無限大電介質(zhì)充溢電場空間；或2 2電介質(zhì)的外表為等勢面。電介質(zhì)的外表為等勢面。下一頁下一頁無限大電介質(zhì)無限大電介質(zhì)電介質(zhì)外表電介質(zhì)外表是等勢面是等勢面下一頁下一頁1 1無極分子的位移極化無極分子的位移極化0 eP無外電場時無外電場時 ePffl外外E加上外電場后加上外電場后0 eP下一頁下一頁e+兩端面出現(xiàn)兩端面出現(xiàn)

7、極化電荷層極化電荷層外外E2 2有極分子的轉(zhuǎn)向極化有極分子的轉(zhuǎn)向極化ff外外EPMe +外外E+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +無外電場時，分子電矩的無外電場時，分子電矩的取向是無規(guī)的。取向是無規(guī)的。外外EeP加上外場加上外場兩端面出現(xiàn)兩端面出現(xiàn)極化電荷層極化電荷層轉(zhuǎn)向外電場轉(zhuǎn)向外電場eP下一頁下一頁3 3極化強度極化強度-單位體積介質(zhì)中分子電偶極矩之單位體積介質(zhì)中分子電偶極矩之矢量和矢量和VpPieiV0lim0E顯然，顯然，P P 值越大，表示極化程度越高。值越大，表示極化程度越高。4 4極化電荷面密度極化電荷面密度 與與 極化強度極化強度

8、P P 的關(guān)系：的關(guān)系：單位是單位是 庫侖庫侖/ /米米22、C/m2.C/m2.+外外E- - 可以證明：在我們研可以證明：在我們研討的條件下有：討的條件下有：P下一頁下一頁真空時真空時電容電容C0 電勢差電勢差V0+q-q1,1100rrCCVV電容提高了！電容提高了！為什么？。為什么？。 VqC/填滿介質(zhì)時填滿介質(zhì)時電容電容C電勢差電勢差V+q-q 極化電荷產(chǎn)生的退極化場使得介質(zhì)內(nèi)的場極化電荷產(chǎn)生的退極化場使得介質(zhì)內(nèi)的場強減小了，兩極板間的電勢差降低了，所以：強減小了，兩極板間的電勢差降低了，所以：電容提高了！電容提高了！下一頁下一頁 電介質(zhì)所能接受的最大電場強度電介質(zhì)所能接受的最大電場

9、強度 Eb 稱為電介質(zhì)的擊穿場稱為電介質(zhì)的擊穿場強強 ,此時兩極板間的電壓此時兩極板間的電壓 Ub 稱為電介質(zhì)的擊穿電壓。稱為電介質(zhì)的擊穿電壓。 對于平行平板電容器來說，擊穿場強對于平行平板電容器來說，擊穿場強 Eb 與擊穿電壓與擊穿電壓 Ub 的關(guān)系為的關(guān)系為dUEbb看看 P72 表表9-1 幾種常見電介質(zhì)的相對電容率和擊穿場強幾種常見電介質(zhì)的相對電容率和擊穿場強 從表中可以看出，除空氣的相對電容率近似等于從表中可以看出，除空氣的相對電容率近似等于 1 外，外，其它電介質(zhì)的相對電容率均大于其它電介質(zhì)的相對電容率均大于 1 。像乙烯、丙烯等資料，。像乙烯、丙烯等資料，由于其柔軟性，可將它們卷

10、成體積不大的圓柱外形，因此它由于其柔軟性，可將它們卷成體積不大的圓柱外形，因此它們是制造普通常用電容器的好資料。此外像鈦酸鋇鍶們是制造普通常用電容器的好資料。此外像鈦酸鋇鍶 ，其相，其相對電容率可達對電容率可達 104 ，用它們可制造電容大、體積小的電容器，用它們可制造電容大、體積小的電容器，從而有助于實現(xiàn)電子設(shè)備的小型化。從而有助于實現(xiàn)電子設(shè)備的小型化。下一頁下一頁介質(zhì)中的靜電場介質(zhì)中的靜電場場源電荷場源電荷 自在電荷自在電荷 極化電荷極化電荷下一頁下一頁 外來電場外來電場E0E0 退極化電場退極化電場E E 空間任一點空間任一點的電場：的電場： E=E0+EE=E0+E下一頁下一頁介質(zhì)外的

11、場強介質(zhì)外的場強 E0 不變，不變，介質(zhì)內(nèi)的場強介質(zhì)內(nèi)的場強 E 減小減小,但不等于零！但不等于零！問題問題: 如何計算有介質(zhì)時介質(zhì)內(nèi)部的電場強度如何計算有介質(zhì)時介質(zhì)內(nèi)部的電場強度E ?真空時 電容電容C0 電勢差電勢差V0+q-q填滿介質(zhì)時電容電容C電勢差電勢差V+q-q1, 1100rrCCUV實驗測得真空時真空時:dldVE00填滿介質(zhì)時填滿介質(zhì)時:dldVErVVEErVV 000 故有故有:rEE 0此式在我們此式在我們界定的介質(zhì)界定的介質(zhì)條件下是普條件下是普遍成立的遍成立的.下一頁下一頁當(dāng)介質(zhì)滿足當(dāng)介質(zhì)滿足 1無限大均勻各向同性介質(zhì)充溢電場空間；或無限大均勻各向同性介質(zhì)充溢電場空間

12、；或2各向同性均勻電介質(zhì)的外表是等勢面各向同性均勻電介質(zhì)的外表是等勢面 條件之一時：條件之一時：計算電場強度的計算電場強度的 一個簡一方法是：一個簡一方法是：1先假設(shè)介質(zhì)不存在，計算出自在電荷產(chǎn)生的電先假設(shè)介質(zhì)不存在，計算出自在電荷產(chǎn)生的電 場強度場強度E0 ;2再利用以下公式：再利用以下公式：電介質(zhì)中：電介質(zhì)中：;0rEE無電介質(zhì)處：無電介質(zhì)處：0EE 下一頁下一頁例題例題1、求兩種介質(zhì)內(nèi)的電場強度，、求兩種介質(zhì)內(nèi)的電場強度，兩導(dǎo)體板間的電勢差及電容。兩導(dǎo)體板間的電勢差及電容。解：解： 先假設(shè)介質(zhì)不存在。那么有先假設(shè)介質(zhì)不存在。那么有：場強分布場強分布兩兩板板間間。兩兩板板外外；, 0000

13、EE由公式：由公式：電介質(zhì)中：電介質(zhì)中：rEE 0 可得：可得：場強分布場強分布內(nèi)內(nèi)；介介質(zhì)質(zhì)1,10101rrEE 內(nèi)內(nèi)。介介質(zhì)質(zhì)2,20202rrEE 下一頁下一頁 d1 d2 1r2rS內(nèi)內(nèi)。介介質(zhì)質(zhì)內(nèi)內(nèi)；介介質(zhì)質(zhì)21,2020210101rrrrEEEE兩導(dǎo)體板間的電勢差為：兩導(dǎo)體板間的電勢差為： 221102211rrdddEdEV電容器的電容器的電容為：電容為： 11110rrddSVSC可以證明：這相當(dāng)于兩個電容器的串聯(lián)?？梢宰C明：這相當(dāng)于兩個電容器的串聯(lián)。下一頁下一頁r R204rQEr 例例2.知導(dǎo)體球：知導(dǎo)體球：RQ介質(zhì)為無限大，介質(zhì)為無限大，r 求求:球外任一點的球外任一

14、點的E 導(dǎo)體球的電勢導(dǎo)體球的電勢u解解:導(dǎo)體球的導(dǎo)體球的電勢：電勢： RRrdrrQrdEu204 RQr 04 介質(zhì)不存在時：介質(zhì)不存在時：RrrQEE,200040導(dǎo)導(dǎo)體體球球內(nèi)內(nèi)；，由于在電由于在電介質(zhì)中有：介質(zhì)中有：rEE 0 從而從而 可得：可得：下一頁下一頁我們還可以利用場強的疊加原理求得導(dǎo)體球周圍我們還可以利用場強的疊加原理求得導(dǎo)體球周圍介質(zhì)外表上的極化電荷量和極化電荷面密度介質(zhì)外表上的極化電荷量和極化電荷面密度設(shè)極化電荷電量為設(shè)極化電荷電量為Q ,其產(chǎn)生的場強為：其產(chǎn)生的場強為：204rQE介質(zhì)內(nèi)的合場強為介質(zhì)內(nèi)的合場強為 ：E=E0+E ; 即即202020444rQrQrQ

15、r由此可得，極由此可得，極化電荷量為：化電荷量為：011rQQ極化電荷極化電荷面密度為面密度為:24 RQr RQQ 下一頁下一頁94 電位移矢量電位移矢量在真空中在真空中: iqSdE001 在本講限定在本講限定的介質(zhì)中的介質(zhì)中:rEE 0 irqSdE01 irqSdE0 定義定義:電位移矢量電位移矢量EEDr0r 0稱為介質(zhì)的介電常數(shù)。稱為介質(zhì)的介電常數(shù)。下一頁下一頁自在電荷自在電荷電位移矢量電位移矢量E0 定義定義 D ，真空中；，真空中；Er 0 ，介質(zhì)中；，介質(zhì)中；204rqE 204rqEr 點電荷點電荷24 rqD 電位移線電位移線大小大小: S電電位位移移線線條條數(shù)數(shù)D方向方

16、向:切線切線DaaDbDb在真空中在真空中產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場在介質(zhì)中在介質(zhì)中產(chǎn)生電場產(chǎn)生電場下一頁下一頁電位移的高斯定理電位移的高斯定理(有電介質(zhì)時的高斯定理有電介質(zhì)時的高斯定理): iSqSdD物理意義：穿過靜電場中任一閉合曲面的電位移通量物理意義：穿過靜電場中任一閉合曲面的電位移通量等于該曲面內(nèi)包圍的自在電荷的代數(shù)和。等于該曲面內(nèi)包圍的自在電荷的代數(shù)和。電位移通量用電位移通量用 表示：表示：D insideiSDqSD0d電位移的計算電位移的計算.0DEDEr求求出出電電位位移移，再再利利用用公公式式：先先求求得得場場強強 也可以先求電位移，再求場強。也可以先求電位移，再求場強。 irqSd

17、E0 下一頁下一頁S包圍的包圍的自在電自在電荷荷2004rQDErr 解解:過過P點作高斯面點作高斯面 S 得得 SQSdDQrD 24 24 rQD 導(dǎo)體球的電勢：導(dǎo)體球的電勢： RRrdrrQrdEV204RQr 04 下一頁下一頁例例3.知知:導(dǎo)體球?qū)w球RQ介質(zhì)介質(zhì)r 求求:球外任一點的球外任一點的E 導(dǎo)體球的電勢導(dǎo)體球的電勢Vr RrPSRQ例例4 4、求電荷分布、場、求電荷分布、場強、電位移及電容。強、電位移及電容。1r 2r Sdq q 1S2S1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 解解: 關(guān)鍵是把自在電荷關(guān)鍵是把自在電荷的分布的分布 確

18、定下來。確定下來。在介質(zhì)在介質(zhì)1內(nèi)：內(nèi)：10111010101;rrEEE 在介質(zhì)在介質(zhì)2內(nèi)：內(nèi)：20222020202;rrEEE 兩極板間的兩極板間的電勢差為：電勢差為：ddEVddEVrr2022210111; 下一頁下一頁1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 兩極板間的電勢差為：兩極板間的電勢差為：ddEVddEVrr2022210111 21VV(1) 2211rr再由電荷守恒有：再由電荷守恒有：(2) 2211qSS聯(lián)立聯(lián)立(1),(2)兩式兩式, 得：得：221122221111;SSqSSqrrrrrr下一頁下一頁1r 2r Sdq q 1S2S1 2 1 2 - - - - - - - - 221122221111SSqSSqrrrrrr )(221101011SSqErrr )(221102022SSqErrr )(221111101SSqEDrrrr )(221122202SSqEDrrrr )(221101SSqddEVrr dSSVqCrr)(22110 下一頁下一頁本講小結(jié)本講小結(jié)1、電介質(zhì)在電場中極化，外表產(chǎn)生極化電荷；、電介質(zhì)在電場中極化，外表產(chǎn)生極化電荷；2、電介質(zhì)內(nèi)的場強減小，電介質(zhì)外的場強不變；、電介質(zhì)內(nèi)的場強減小，電介質(zhì)外的