静电场中的导体电介质、电场能量2013-2s

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1、作业：练习14教材：6-19下次课交作业带静电的梳子吸引水柱1静电场中的导体和电介质静电场静电场电荷库仑定律静电场电场强度电通量高斯定理静电场的环路定理电势能电势电势差等势面电势与电场强度的关系静电场中的导体静电场中的电介质电位移有电介质时的高斯定理电容电容器电场能量2静电场中的导体和电介质二、静电场中的电介质导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。然而也有一类物质电子被束缚在自身所属的原子核周围或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置，但是不能到处移动。这类物质就是所谓的非导体或绝缘体。绝缘体不导电，但电场可以在其中存在，并且在电磁现象中起着重要的作用。从电场这一角度看，特别地把绝缘体叫做

2、电介质。3静电场中的导体和电介质1.电介质对电场的影响实验：将一绝缘材料慢慢插入充电后断开电源的平板电容器两极板之间，静电计指示电压下降。结果：插入电介质后，−Q+Q−Q+Q电压变小GGEEU00U=dεεrrεr>1……介质的UU0相对电容率（相对介电常数）εr随介质种类和状态而改变，无量纲，可实验测定。空气的相对介电常数1.00059(0℃，1atm）4静电场中的导体和电介质例如：空气ε=1，云母ε=4~7rr水(20℃,1atm)ε=80，钛酸钡ε=103—104。rrU0∵U=εrUU/d0=dεrKKE=E/ε0r为什么插入电介质会使电场减弱？5静电场中的导体和电介质几种电介质的分子

3、结构模型无极分子有极分子Kp——分子电偶极矩e6静电场中的导体和电介质2.电介质的极化电介质从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子：分子正负电荷中心重合；有极分子：分子正负电荷中心不重合。甲烷分子CH4水分子H2O负电荷+H正负电荷中心O中心重合K++peHCH+++HH+H正电荷中心KKpe=0pe——分子电偶极矩7静电场中的导体和电介质1）无极分子的位移极化GKEp′外efeflKK无外电场时pe=0加上外电场后pe′≠0+G+E外极化电荷+++极化电荷++在外电场作用下，介质表面产生极化电荷的现象——电介质的极化现象。8静电场中的导体和电介质2）有极分子的取向极化+++++++++

4、+GGfKf++++pe+G+++++GGGE外M=p×Ee外无外电场时电矩取向不同加上外场+GKE+外p转向外电场e++两端面出现++极化电荷层GG+Å由于热运动，不是都平行于peE；Ç有极分子也有位移极化，不过在静电场中主要是取向极化，9但在高频场中，位移极化反倒是主要的了。静电场中的导体和电介质在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。我们称它为极化电荷（束缚电荷）。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。在外电场中，出现极化电荷的现象叫做电介质的极化总之，不管哪种电介质,极化机制虽然不同，放到电场

5、中都有极化现象,都会出现极化电荷（也叫束缚电荷）。+G例如左图的左右表面+E外上就有极化电荷。+正是这些极化电荷+++的电场削弱了电介+质中的电场。10如何描述电介质的极化状态？电介质的极化有什么规律？静电场中的导体和电介质3、电介质对电场的影响这些束缚极化电荷，同时周围也会产生电场，所以空间某点场应该是外加场与附加场的矢量叠加。KKK描述介质介电特E=E0+E'性即电特性的物理量，称为介质-K+的相对介电常数--KE'++σ´-+-EK+定义介质的介--E++电常数为：0E0EE

6、现极化电荷层，设极化电荷面密度为σ′，平板上自由电荷面密度为σ，对匀强电场中的填充介质KKKE=E+E'0σE0σ-+E0=E==--K++σ´εεrεrε0-Eε+0-r+-+-+E=('EE−)=−()σσ'σ−σ0εε00σσσ'1()−=σ'(1)=−σεεεεε00r0rσ'E'=ε012−σ'σ'静电场中的导体和电介质⎛⎞1σσσ′=−⎜⎟1=εε0()r−1=Eεε0(r−1)εεε⎝⎠r0r这个结果是可以理解的。外界电场越强，引起介质的极化就越强。同时我们看到，εr也反应了介质极化的难易程度E注意0一般情况下E与E0的关系很E=εr复杂，此式一般并不成立！可应用条件是：•均匀各

7、向同性介质充满电场存在的全空间•介质表面为等势面13静电场中的导体和电介质4.电介质的高斯定理电位移矢量带电体周围存在有一种物质电场，电荷的一切电作用是通过电场来作用的，我们从力的角度和功、能角度来反映电场的性质，但是在介质中的场分布由自由电荷和极化电荷共同决定的，而极化电荷在一般介质问题中是不容易求出来的，为了描述介质的场时避免求解极化电荷，引入电位移矢量来描述电场。K1）电位移矢量D电位移矢量