《介質(zhì)靜電場(chǎng)》課件

介質(zhì)靜電場(chǎng)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)了解靜電場(chǎng)基本概念掌握庫(kù)侖定律、電場(chǎng)強(qiáng)度、電通量等基本概念。理解電介質(zhì)特性學(xué)習(xí)電介質(zhì)的極化現(xiàn)象、電介質(zhì)參數(shù)和電介質(zhì)邊界條件。掌握電容器相關(guān)知識(shí)了解電容器的結(jié)構(gòu)、分類、特性和應(yīng)用。深入分析電場(chǎng)能量探究電場(chǎng)能量的計(jì)算方法和電介質(zhì)在電場(chǎng)中的能量變化。靜電學(xué)基礎(chǔ)回顧1電荷2庫(kù)侖定律3電場(chǎng)4電勢(shì)庫(kù)侖定律點(diǎn)電荷庫(kù)侖定律描述了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力。距離力的大小與電荷量成正比，與距離的平方成反比。方向同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電場(chǎng)強(qiáng)度定義概念電場(chǎng)強(qiáng)度是描述電場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量，它反映了電場(chǎng)對(duì)放入其中的電荷的作用力大小和方向。定義電場(chǎng)強(qiáng)度定義為單位正電荷在該點(diǎn)所受的力，即E=F/q。方向電場(chǎng)強(qiáng)度的方向與正電荷在該點(diǎn)所受的力的方向相同。電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算1點(diǎn)電荷由庫(kù)侖定律可知，點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷量成正比，與距離平方成反比。2電偶極子電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與偶極矩成正比，與距離立方成反比。3均勻帶電球體球體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，球體外部的電場(chǎng)強(qiáng)度與球體表面電荷密度成正比，與距離平方成反比。電通量和高斯定理1定義電通量表示電場(chǎng)穿過某一曲面的數(shù)量。2計(jì)算電通量可以用電場(chǎng)強(qiáng)度和曲面面積的點(diǎn)積計(jì)算。3高斯定理高斯定理指出，穿過任意封閉曲面的電通量等于該封閉曲面內(nèi)所包圍的總電荷量除以ε?。高斯定理應(yīng)用1計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)稱電荷分布，方便計(jì)算2求解電荷分布已知電場(chǎng)強(qiáng)度，反推電荷分布3電介質(zhì)中的應(yīng)用分析電介質(zhì)的極化和電場(chǎng)變化電位和電場(chǎng)關(guān)系電位電位是描述電場(chǎng)能的物理量，表示單位正電荷在電場(chǎng)中從某一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中電勢(shì)能的變化量。電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度是描述電場(chǎng)力的物理量，表示單位正電荷在電場(chǎng)中受到的力的大小和方向。關(guān)系電位和電場(chǎng)強(qiáng)度之間存在密切的關(guān)系：電場(chǎng)強(qiáng)度是電位梯度的負(fù)值，也就是說，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小等于電位沿電場(chǎng)線方向的變化率。電位與電場(chǎng)線的關(guān)系電位和電場(chǎng)線之間存在著密切的聯(lián)系。電場(chǎng)線的方向總是指向電位降低的方向。換句話說，沿著電場(chǎng)線方向移動(dòng)，電位會(huì)逐漸降低。我們可以用等電位線來描繪電位相同的所有點(diǎn)。等電位線與電場(chǎng)線總是相互垂直。等電位線的密集程度反映了電場(chǎng)強(qiáng)度的變化率，即電場(chǎng)強(qiáng)度的梯度。等電位面和電場(chǎng)線在靜電場(chǎng)中，電勢(shì)相等的點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)等電位面。等電位面與電場(chǎng)線垂直，這是因?yàn)殡妶?chǎng)力總是沿著電勢(shì)降低的方向，而等電位面上各點(diǎn)的電勢(shì)相同，所以電場(chǎng)力在這個(gè)方向上為零。電位能和電勢(shì)能1電位能電位能是電荷在電場(chǎng)中具有的能量，表示電荷在電場(chǎng)力作用下，從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所做的功。2電勢(shì)能電勢(shì)能是單位電荷在電場(chǎng)中具有的能量，也稱為電勢(shì)。3關(guān)系電位能等于電勢(shì)能乘以電荷量，即W=qφ，其中W表示電位能，q表示電荷量，φ表示電勢(shì)能。電介質(zhì)性質(zhì)概述電介質(zhì)是由原子或分子組成的物質(zhì)，其原子或分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其介電性質(zhì)。電介質(zhì)可分為極性介質(zhì)和非極性介質(zhì)，極性介質(zhì)的分子具有永久偶極矩，非極性介質(zhì)的分子沒有永久偶極矩。在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部的電荷會(huì)發(fā)生重新分布，產(chǎn)生極化現(xiàn)象。電介質(zhì)參數(shù)參數(shù)定義單位介電常數(shù)ε描述電介質(zhì)極化程度無量綱相對(duì)介電常數(shù)εr真空介電常數(shù)與電介質(zhì)介電常數(shù)之比無量綱介電強(qiáng)度Eb電介質(zhì)耐受的最高電場(chǎng)強(qiáng)度V/m介電損耗tanδ電介質(zhì)吸收電能并轉(zhuǎn)化為熱能的程度無量綱極化與極化電荷極化在電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)內(nèi)部的分子發(fā)生重新排列，使介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電偶極矩，這種現(xiàn)象稱為極化。極化電荷由于介質(zhì)內(nèi)部的極化，在介質(zhì)表面會(huì)產(chǎn)生與自由電荷相反的電荷，這些電荷稱為極化電荷。極化電荷計(jì)算介質(zhì)極化強(qiáng)度介質(zhì)極化強(qiáng)度是指單位體積內(nèi)極化電偶極矩的矢量和，它反映了介質(zhì)的極化程度。極化電荷密度極化電荷密度是指極化電荷在介質(zhì)表面或內(nèi)部的分布情況，它是介質(zhì)極化強(qiáng)度變化的量度。計(jì)算方法可以通過計(jì)算介質(zhì)極化強(qiáng)度和極化電荷密度來確定極化電荷的分布情況，從而分析介質(zhì)在電場(chǎng)中的響應(yīng)。電介質(zhì)邊界條件電場(chǎng)強(qiáng)度電介質(zhì)分界面兩側(cè)的切向電場(chǎng)強(qiáng)度相等。電位移矢量電介質(zhì)分界面兩側(cè)的徑向電位移矢量相等。電介質(zhì)分界面電介質(zhì)分界面是指兩種不同電介質(zhì)之間的分界，例如空氣和玻璃、塑料和陶瓷等。在電介質(zhì)分界面處，由于介電常數(shù)的不同，電場(chǎng)強(qiáng)度和電位會(huì)發(fā)生變化。在電介質(zhì)分界面處，電場(chǎng)線會(huì)發(fā)生彎折，這是由于電介質(zhì)的極化現(xiàn)象造成的。電場(chǎng)線的彎折程度取決于兩種電介質(zhì)的介電常數(shù)之比。介電常數(shù)較大的電介質(zhì)，電場(chǎng)線彎折程度越小。電容和電容器電容電容是描述電容器儲(chǔ)存電荷能力的物理量。它表示在電容器兩極間施加1伏電壓時(shí)，電容器能夠儲(chǔ)存的電荷量。電容器電容器是一種能夠儲(chǔ)存電荷的電子元件，由兩個(gè)相互絕緣的導(dǎo)體構(gòu)成，中間充滿絕緣介質(zhì)。電容器分類和特性電容衡量電容器儲(chǔ)存電荷能力的物理量耐壓電容器所能承受的最大電壓損耗電容器在充放電過程中能量損耗頻率特性電容器在不同頻率下的性能電容器并聯(lián)和串聯(lián)1并聯(lián)電壓相同2等效電容總電容為各電容之和3串聯(lián)電荷量相同4等效電容總電容的倒數(shù)為各電容倒數(shù)之和電場(chǎng)能量電場(chǎng)能量的概念電場(chǎng)中存在能量，它與電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)體積有關(guān)。能量密度公式電場(chǎng)能量密度是指單位體積內(nèi)的電場(chǎng)能量，用公式w=1/2εE2表示。電容系統(tǒng)電場(chǎng)能電容值(uF)電場(chǎng)能(J)電容系統(tǒng)電場(chǎng)能是指電容器在儲(chǔ)存電荷時(shí)所具有的能量。電介質(zhì)在電場(chǎng)中的能量電場(chǎng)能密度電介質(zhì)中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能與電場(chǎng)強(qiáng)度和介電常數(shù)有關(guān)。極化能電介質(zhì)的極化過程會(huì)釋放能量，這種能量會(huì)以熱能的形式散失。能量轉(zhuǎn)換電介質(zhì)在電場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能或機(jī)械能。電介質(zhì)在電場(chǎng)中的力1電介質(zhì)極化電介質(zhì)在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生極化，產(chǎn)生極化電荷。2電場(chǎng)力的作用極化電荷受到電場(chǎng)力的作用，從而使電介質(zhì)受到力的作用。3力的大小電介質(zhì)所受的力的大小與電介質(zhì)的極化強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度和電介質(zhì)的體積有關(guān)。電介質(zhì)與導(dǎo)體在電場(chǎng)中的對(duì)比導(dǎo)體導(dǎo)體中的自由電荷可以自由移動(dòng)，在電場(chǎng)作用下會(huì)重新分布，形成表面電荷。導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，電勢(shì)處處相等，因此電場(chǎng)線垂直于導(dǎo)體表面。電介質(zhì)電介質(zhì)中的電荷束縛在原子或分子中，不能自由移動(dòng)，但可以在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化。電介質(zhì)內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度不為零，電勢(shì)不均勻分布，電場(chǎng)線可以穿過電介質(zhì)。電介質(zhì)中偶極子的行為極化在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中的偶極子會(huì)發(fā)生取向排列，使得電介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)極化電場(chǎng)。排列方向偶極子的排列方向與電場(chǎng)方向一致，從而抵消部分外電場(chǎng)。極化強(qiáng)度偶極子排列的程度用極化強(qiáng)度來衡量，它反映了電介質(zhì)的極化能力。電介質(zhì)的介電損耗能量消耗電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生極化，并伴隨能量損耗。熱能轉(zhuǎn)化損耗的能量主要以熱能的形式散失，導(dǎo)致介質(zhì)溫度升高。介電損耗角介電損耗角是衡量電介質(zhì)損耗大小的指標(biāo)。電介質(zhì)的絕緣破壞電壓升高當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓超過其耐受極限時(shí)，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生