静电场中的电介质（精）ppt课件.ppt

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1、电磁学讲义2010级物理学专业ElectromagnetismTeachingmaterialsCH3静电场中的电介质§1前言（Preface）一、本章的基本内容及研究思路静电场的基本规律对于介质中的静电场是否适用？深入到原子内部，电子和原子核之间以及和其他电子之间仍然是真空，其间的电相互作用仍然服从库仑定律，实验证明，在小到原子核范围（米），库仑定律依然成立。这样就可以将第一章讲的基本规律应用于电介质的内部。在原子内部，各物理量（如E、电荷密度等）皆称为微观值，即在原子、分子内部各微观点上的值，而实验测得宏观值是物理

2、无限小体积内这些微观值的平均值，物理无限小体积是一个宏观点，其中包含大量的分子，即从宏观看，它足够小，从微观看，它足够大，由于第一章的基本规律适用于微观值，用求平均值的方法可以证明对宏观量也成立。本章主要讨论电介质在静电场中的极化现象，电介质中的束缚电荷以及空间充满电介质时的电场强度，电介质中的场方程和静电场的能量，提出“电场具有能量，能量定域在场中”是认识上的一个重大飞跃。本章首先以实验为基础介绍了电介质的基本概念；详细介绍了偶极子的概念，及其产生的电场分布和在电场中所受到的力矩；以电介质的等效模型——偶极子为基础，

3、给出了电介质的极化机制——位移极化和取向极化；引入电极化强度定义，给出了电极化强度和极化电荷的计算；进而引入电位移矢量D和有介质存在时的高斯定理；从静电场方程的普适性出发证明了有介质存在时的静电场方程。最后从电容器的能量计算结果引出电场能量的概念。本章与上一章的研究方法有相似之处放入静电场中的导体会由于静电感应而在其表面出现感应电荷。这是由于导体中有大量的自由电子，它可在导体中自由移动本章讨论另一类物质，其中的电子被束缚在它所属的原子核范围。只能在原子、分子范围内作微小的移动，这类物质不能导电，故称为绝缘体，也叫电介质

4、。若将介质放入静电场，介质内部与表面都会出现极化电荷，这些极化电荷也会产生一个附加场，与导体不同的是介质内部的总电场不为零，因而不能利用静电平衡时导体内部电场为零这个特点来处理电介质内部的电场，这正是它较之导体困难之处电介质中电子虽然移动的范围微小，但却能使电介质表现出宏观的电性质（如在电容器中插入电介质时电容明显增大），电介质中也存在电场，在电磁现象和实际应用中有其特殊的作用，所以，它也是电磁学的研究对象。微观值是指该量在介质中微观点的值，在一个微观带电粒子和另一个粒子之间，场强和电势和微观值发生急剧起伏，但宏观实验

5、测得的只是一种平均效果。所以（宏观）电磁学只要关心物理量的宏观值。宏观值是一种统计平均值，当一个体系带有大量微观粒子且处于平衡态时，系统的微观涨落可以忽略，而宏观值是稳定的。二、本章的基本要求1.了解电解质极化机制。掌握电极化强度矢量的物理意义、的适用条件及式中各量的意义；2.理解介质中高斯定理的推导。熟练掌握通过对称性分析，用高斯定理求与的方法。理解电容器充入电介质后电容值增大的原因，了解充入介质可以提高电容器的耐压程度；3.熟练掌握用求静电场能量。§2偶极子（electricdipole）一、电介质与偶极子电介质是

6、由中性分子构成的，是绝缘体。其原因是：电介质的原子对其电子的约束力较强，使得外层价电子处于束缚状态，不易挣脱所属的原子。因此，在电介质内部几乎没有自由电子，所以，电介质不能导电。偶极子是由两个相距很近而且等值异号的点电荷组成的。很近:场点与两个点电荷的距离比两个点电荷之间的距离大得多。讨论电介质在电场作用下的变化、变化后对电场的影响。首先偶极子在电场作用下如何变化（被动方面）、如何激发电场（主动方面）二、偶极子在外电场中所受的力矩设外场是均匀的情况正负电荷所受的力分别为：-q+q0总力矩为：矢量式：定义电偶极矩（矢量）

7、则（1）力矩力图使偶极子的电矩转到与外场一致的方向上（2）在外场一定时，电偶极矩唯一地决定偶极子所受的力偶矩，反映了其固有属性；（3）当时，即，力矩值最大；当时，即，力矩值为零。电偶极子在均匀电场中的电位能为：结果：是一个稳定平衡位置三、偶极子激发的静电场P当求得的就是中垂线上和延长线的场强！在延长线上的场强：取偶极子中心为坐标原点，则正负电荷产生的场强大小（方向在延长线上向）为：在中垂面上的场强：仍取偶极子中心为坐标原点，则正负电荷产生的场强大小为：叠加后保留一级小量得：总场强的方向与中垂面垂直且与反向，即讨论：上述

8、两个结果表明：当场点较远时，偶极子在的沿长线及中垂面上激发的场强取决于两个因素：①偶极子本身的偶极矩；②场点与偶极子的距离。偶极矩在其场强公式中的地位与点电荷的电量在其场强中的地位相似（前者，后者）；但两者的场强对的依赖关系差别很大，偶极子中，而点电荷中，。电偶极子的场强只与和的乘积有关，例如增大一倍而减小一倍时它在远处产生的场强