第3章 静电场中的电介质.ppt

主要内容 偶极子 电介质的极化 极化电荷 有电介质时的高斯定理 有电介质时的静电场方程 电场的能量 §3-1 概述 第一章研究了静电场的基本规律，基本规律（库仑定律和叠加原理等）都是从真空中得出的，第二章研究了静电场中的导体，第三章研究静电场中的电介质。有电介质时库仑定律仍然适用吗？实物介质由分子原子组成，后者又由更小的粒子组成。电场对这些粒子有什么样的作用？这些粒子又反过来怎么影响电场？ §3-2 偶极子 §3-2 偶极子 束缚电荷：电介质分子中的带电粒子不能发生宏观位移，这些带电粒子叫做束缚电荷。 偶极子：两个相距很近而且等值异号的点电荷组成一个偶极子。 偶极子在外电场作用下如何变化？又会怎么反过来影响电场？ §3-3 电介质的极化 §3-4 极化电荷 §3-5 有介质时的高斯定理 * 在外电场中电介质要受到电场的影响,同时也影响外电场。 上述实验表明：插入电介质后两极板间电压减少，说明其间电场减弱了。 以平行板电容器有电介质与无电介质时，极板上电压的变化为例说明电介质和电场之间的影响. E F p + F- 电介质分子 3.2.1偶极子在外电场中所受的力偶矩 定义电偶极矩 则有： 在外电场一定时，偶极子所受力偶矩由偶极矩（或说电矩）唯一决定。力偶矩力图使偶极子的偶极矩转到与外场一致的方向。 3.2.2偶极子激发的静电场 （1）偶极子在 的延长线上一点A的场强 （2）偶极子中垂线上A 点的场强 合场强的大小为 化为 由于 得到 以上公式说明，电偶极子在L的延长线上及中垂面上激发的场强E取决于两个因素： a.偶极子本身的偶极矩 b.场点与偶极子和距离 偶极矩 反映电偶极子的基本性质，是一个描述电偶极子属性的物理量。电偶极矩的方向是由 指向 。 3.3.1位移极化和取向极化 两类分子：无极分子，有极分子 两种极化：位移极化，取向极化。 凡是正负电荷中心重合的分子叫无极分子，正负电荷中心不重合的分子叫有极分子。 1.无极分子的位移极化 无极分子电介质处在电场中时，分子的正负电荷中心发生位移从而形成分子电偶极子。此时电介质中的分子电偶极矩的矢量和不为零。称为电介质被极化了。 位移极化 主要是电子发生位移 2.有极分子的取向极化 有极分子电介质处在电场中时，分子的电偶极子发生取向排列，从而使得分子的电偶极矩的矢量和不为零。也称为该电介质被极化了。 有极分子还有混合极化的情况。 取向极化 3.极化电荷：因电介质被外电场极化而出现在电介质表面或内部的电荷叫极化电荷（也叫做束缚电荷）。常用q‘来表示。其它电荷都叫做自由电荷。 综上所述，在外电场作用下，无极分子和无极分子都要发生变化，这种变化叫做电介质的极化。 3.3.2极化强度矢量 2、极化强度与场强的关系　 　实验表明，在各向同性介质中，任一点的极化强度矢量与该点的总场强大小成正比，方向相同，可写为 称为介质的极化率，它是一个大于零的纯数，由介质本身性质决定。所谓均匀介质，就是 处处相同的介质。如果 与E无关，则称为各向同性的线性电介质。 本书后面所讨论均指各向同性的线性电介质。 1、定义：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。 3.4.1有外电场时，在电介质内部取一个物理无限小的体积 由于极化， 内的电荷代数和就不为零，这种由于极化而出现的宏观电荷叫做极化电荷 把不是由于极化而出现的宏观电荷叫做自由电荷。极化电荷和自由电荷一样都按第一章的规律激发静电场。 3.4.2 极化电荷体密度与极化强度的关系 E P ? dV dS n l分 电介质体内 3.4.3 极化电荷面密度与极化强度的关系 n2 ?2 ?S(底面) ?1 n n1 只有被薄层上下底面所截断的偶极子才对极化电荷 有贡献,上下底面的贡献分别是： 薄层内的总极化电荷是 极化电荷面密度为 讨论三种情况： 1、介质2是电介质，而介质1 是真空 是从介质指向真空。 2、介质2是电介质，而介质1 是金属 是从介质指向金属。 3、两种都是电介质 是由介质2指向介质1。 总场强为 通过任一闭合曲面的电位移通量，等于包围在该闭合面内自由电荷的代数和。 引入辅助电位移矢量 有电介质时高斯定理 高斯定理 : 将 代入上式后化为 与 的关系 所以 将 叫做电介质的介电常量 叫做电介质的相对介电常量 上式是描写各向同性线性电介质中同一点的 和 之间的重要关系式。 因为 和 于是 例1、半径为R、电荷 为的金属球，放在介电常数为 的均匀无限大介质中， 求电介质中的电场强度 及电介质与金属界面上的极化电荷