静电场中的电介质ppt课件.ppt

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1、x.sun电磁学（第三册）第5章静电场中的电介质本章讨论：电介质如何影响电场？在电场作用下，电介质的电荷如何分布？如何计算有电介质存在时的电场分布？引言电介质(Dielectric)，就是绝缘体—无自由电荷－不导电。请关注：电介质和导体在电学机制上的区别。【演示实验】电介质对电场的影响、压电效应、电致伸缩§5.1电介质对电场的影响§5.3D的高斯定理§5.2电介质的极化§5.5电容器的能量§5.4电容器和它的电容目录§5.1电介质对电场的影响+Q-QE0U0+Q-Q—相对介电常数真空：r=1.0变压器油：r～2.2

2、4水（标况）：r～80，钛酸钡：r～103-104铁电体电介质E，U电场被削弱：端面出现电荷如何解释上述实验结果？束缚电荷的电场E′不能全部抵消E0，只能削弱总场E.++++++++++++-----------------++++++++--------机制与导体有何不同？－“束缚电荷”（boundcharge）或“极化电荷”。电介质情况：电中性电介质分子中，带负电的电子(或负离子)被带正电的原子核(或正离子)束缚得很紧，不能自由运动－束缚电荷。§5.2电介质的极化（polarization）一、电介质的电结构每

3、一个分子中的正电荷集中于一点，称为正电荷重心；负电荷集中于另一点，称为负电荷重心正负电荷构成电偶极子电偶极矩：p＝ql固有电偶极矩1、有极分子(Polarmolecule)例如HCl、H2O、COH2O...OHHHO+H+分子正负电重心不重合有固有电偶极矩二、有极分子和无极分子~10–30C·m—极性电介质分子正负电中心重合无固有电偶极2、无极分子(Nonpolarmolecule)例如H2、O2、CO2、CH4—非极性电介质CH+H+H+H+三、电介质的极化(Polarization)在外电场作用下，电介质表面出现

4、正负电荷层的现象—电极化极化机制无极分子位移极化有极分子取向极化++++++++++++++++++++1、无极分子的位移极化无外电场：介质分子的正负电荷重心重合，介质不带电。加外电场：产生感生电偶极矩主要是电子（云）移动极化的结果：端面出现束缚电荷，又叫极化电荷2、有极分子的取向极化无外电场：固有电偶极矩热运动，混乱分布，介质不带电。++++++++++++加外电场：外场取向与热混乱运动达到平衡。++++++++++++++++极化的效果：端面出现束缚电荷在外场作用下，无极分子电介质发生位移极化；有极分子电介质出了主

5、要发生取向极化，也存在位移极化，前者比后者约大一个数量级。电场频率很高时，分子惯性较大，取向极化跟不上外电场的变化，只有惯性很小的电子才能紧跟高频电场的变化而产生位移极化，只有电子位移极化机制起作用。四、电极化强度(Polarizationintensity）电极化强度：电介质中单位体积内分子电偶极矩的矢量和单位：C/m2电极化强度—？电场强度对于非极性电介质，每个分子的感生电偶极矩都相同，所以P可以表示为－－表征极化程度。e电极化率（介质性质，与场无关）介质中的总场强(外电场＋束缚电荷电场)相对介电常数五、各

6、向同性电介质的极化规律外电场增强，感生电矩…，固有电矩更加取向化实验表明：电极化强度随外场的增强而增大定量关系：可见：电极化强度与大小成正比，方向相同(上式对)束缚电荷…?～？电极化强度…真空介电常数－分子数密度－面元外法线单位矢量电介质六、束缚电荷与极化强度的关系1、束缚电荷面密度以非极性电介质为例推导表面dS出现的束缚电荷：束缚电荷面密度：上述推导适用于极性电介质表面该点的电极化强度矢量表面该点外法线方向单位矢量束缚电荷面密度：当为锐角时，电介质表面上出现一层正极化电荷。当为钝角时，表面上出现一层负极

7、化电荷。束缚电荷面密度，等于电极化强度法向分量。束缚电荷体密度：封闭面S内的束缚电荷：dSPVQ介质内Ss2、束缚电荷体密度束缚电荷体密度，等于电极化强度散度负值。七、电介质的击穿和介电强度前面讨论的电介质的极化时，一个重要的前提条件是外加电场不太强如果外加电场很强，分子的正、负电荷就可能被拉开而变成自由电荷电介质的击穿：外加电场使介质分子的束缚电荷变成自由电荷，电介质的绝缘性能遭到破坏而变成导体。介电强度：电介质材料所能承受的不被击穿的最大电场强度，又叫击穿场强。几种电介质的介电强度空气（1atm）：3玻璃：10－2

8、5瓷：6－20纸（油浸过）：15聚乙烯：30云母：80－200真空：？？？§5.3D的高斯定理给定自由电荷分布，如何求稳定后的电场分布和束缚电荷分布？电荷重新分布···存在介质时，静电场的规律：给定自由电荷分布电场束缚电荷分布电场重新分布E的高斯定理：一、电位移矢量D和D的高斯定理束缚电荷，代入移项得束缚电荷自由电荷,总