《电介质与电场能量》PPT课件

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1、要点：1.电介质的极化及其描述.2.介质中的高斯定理矢量.3.求解电介质中的的电场.4.电容及其计算§7静电场中的电介质（绝缘体）§7静电场中的电介质一.电介质的极化及其描述1.电介质的分类物质结构中存在着正负电荷。正、负电荷中心重合－无极分子电介质。例如：正、负电荷中心不重合－有极分子电介质。例如：无外场时分子分子2.极化现象无极分子电介质无外场外场中(位移极化)被约束在分子内出现束缚电荷和附加电场有极分子电介质无外场++++-外场中(转向极化)出现束缚电荷和附加电场位移极化和转向极化微观机制不同，宏观效果相同。统一描述出现束缚电荷(面电荷、体电荷)实例：均匀介质球在均匀外场中的极化极化电荷

2、的附加电场：非均匀场，在介质球内与外场反向。总电场：在介质球外可能与外场同向或反向。在介质球内削弱外场。3.金属导体和电介质比较有大量的自由电子基本无自由电子，正负电荷只能在分子范围内相对运动金属导体特征电介质（绝缘体）模型与电场的相互作用宏观效果“电子气”电偶极子静电感应有极分子电介质:无极分子电介质:转向极化位移极化静电平衡导体内导体表面感应电荷内部：分子偶极矩矢量和不为零出现束缚电荷（极化电荷）4.极化现象的描述1)从分子偶极矩角度单位体积内分子偶极矩矢量和——极化强度。设分子数密度：n每个分子的偶极矩:实验规律：介质极化率总场空间矢量函数由介质的性质决定，与E无关。在各向同性均匀介质中

3、为常数。+-+-2）从束缚电荷角度作如图斜圆柱：底面平行于介质表面；母线平行于外电场，长度为分子正、负电荷中心距离。电介质表面出现厚度l的束缚电荷层求移过面元dS的电量，即如图斜圆柱内的束缚电荷电量dq'作如图斜圆柱极化面电荷密度等于极化强度的外法线分量介质非均匀极化时，出现极化体电荷+-+-移过面元dS的电量极化强度通过某封闭曲面的通量等于曲面内极化电荷代数和的负值移出封闭曲面S的电量;二.电介质中的电场2.介质中的高斯定理静电场高斯定理自由电荷极化电荷定义：电位移矢量自由电荷1.总场=外场+极化电荷附加电场电介质中的高斯定理：电位移矢量通过静电场中任意封闭曲面的通量等于曲面内自由电荷的代数

4、和穿过闭合曲面的通量仅与有关.◆特例：真空——特别介质◆与均有关电位移矢量◆回到：3.如何求解介质中电场？(1)各向同性电介质：令介质的相对电容率为常数得真空电容率介质电容率式中，各向同性电介质分布具有某些对称性才能选取到恰当高斯面使积分能求出.(2)分别具有某些对称性步骤：对称性分析，选高斯面.注意：的对称性——球对称、轴对称、面对称.电介质分布的对称性均匀无限大介质充满全场介质分界面为等势面介质分界面与等势面垂直例：已知：平行板电容器充一半电介质：求：解：介质分界面等势面，未破坏各部分的面对称性，选底面与带电平板平行的圆柱面为高斯面。导体内由高斯定理选底面与带电平板平行的圆柱面为高斯面。同

5、理：电量不变：又：解得：充介质前充介质后比较：一.电容的计算孤立导体电容取决于本身形状，大小与其是否带电无关。§8电容电容器孤立导体：周围无其他导体，电介质，带电体.由电容定义：则金属球电势：设其带电量为Q[例1]半径R的孤立金属球的电容[例2]推求圆柱型电容器，平行板电容器，球形电容器公式，并总结求电容器电容的一般方法。求：已知：作半径，高的同轴圆柱面为高斯面.解：设极板带电量得：由电容定义：电容器两极板间电势差：自学：球形电容器平行板电容器总结：求电容器电容的一般方法2)选高斯面，求1)设极板带电3)求电容器两极板间电势差4)由电容定义练习:求两平行长直导线单位长度间的电容（导线半径a，轴

6、线间距离d）解：设单位长度带电（导体内）（导体间）三.电容器的串并联练习.不变§9静电场的能量一.电容器的能量电容器（储能元件）储能多少？储能=过程中反抗电场力的功。模型：将由负极移向正极板的过程极板电量板间电压计算：二.电场能量1.电场能量密度以平行板电容器为例2.电场能量例：用能量法推导球形电容器(R1,R2,r)电容公式解：设极板带电量取同心球壳为积分元例：圆柱形电容器（）1.保持与端电压V的电源连接。将介质层从电容器内拉出，求外力的功。2.断开电源，将介质层拉出。求外力的功。不同点：保持与电源连接V不变，Q可变.电源要做功；断开电源Q不变.电源不做功.共同点：电容器电容变化(变小)。

7、分析解：原电容：拉出介质层后：1）不断开电源两板电势差=电源端电压=V保持不变，什么量变化？怎么变？电容器储能变化：极板电量变化:有电荷回流电源，电源做功：由功能原理：能量转换过程：外力做功电场能减少对电源充电2）.断开电源极板电量Q不变，电源不做功.电容器储能变化由功能原理能量转换过程：外力做功电场能增加思考（）插入电介质不断开电源断开电源不变量增大量减小量E，U，DW,D,q,C