第四章电磁介质ppt课件.pptx

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1、第四章电磁介质极化、磁化和电磁能1电介质1.0电介质的概念具有下面特点的材料称为电介质结构特点电子被束缚在原子核周围,可以相互交换位置,但是不能到处移动不能导电电场内部可能有电场结合这两点特别地把绝缘体叫做电介质本章主要讨论各向同性的线性、均匀的电介质*电介质中的电荷称为束缚电荷1.1电介质的极化问题：实际电容器两板间总充满某种介电质，其对电容的电场有何影响？实验表明：引入介电质后的极板电压U，与初始极板电压U0的关系：中间插入电介质的平板电容器在外电场中电介质要受到电场的影响同时也影响外电场电场减弱的原因设想插入导体板+Q–Q+Q–QE=0感应电荷的场强抵消外场电介质两侧有束缚电

2、荷积累，抵消了部分外电场极化电荷类似这样外场下电介质两侧积累的束缚电荷电介质极化这样的现象就称为电介质的极化1.2极化的微观机制微观模型和宏观统计的方法(0)电介质的分子：分子重心模型非极性分子(Nonpolarmolecule)无外场作用下分子电荷的正、负“重心”重合，无固有电偶极矩如：He,Ne,CO2,H2,CH4…极性分子(Polarmolecule)无外场作用下分子电荷的正、负“重心”分开，具有固有电偶极矩如：H2O，HCl，NH3…(1)无电场时热运动---紊乱电中性极性分子非极性分子极性分子也因无序排列对外不呈现电性(2)有外电场时非极性分子在电场作用下,两电荷重心分

3、开一段微小距离形成感生电偶极矩位移极化非极性分子只有位移极化极性分子的固有电偶极矩在电场作用下将沿着外电场取向，外电场越强，固有电偶极矩排列越整齐。取向极化取向极化为极性分子特有极性分子也有位移极化极性分子:位移极化效果<<取向极化效果无论哪种方式，均匀介质表面出现宏观电荷积累，即产生极化电荷注意：在高频电场下只有位移极化分子惯性较大，取向极化跟不上外电场变化位移极化的程度也受到外电场的变化频率的影响极化和外电场频率有关无电场时分子极性方向是无序的有电场时分子极性有序，交变场使这种有序不断变化微波炉的原理1.2极化强度矢量定量描述极化现象用的是大量分子电偶极矩的统计平均值极化发生没

4、有极化极化强度第i个分子的电偶极矩宏观量空间函数单位是[库仑/米2]、[C/m2]极化强度和极化电荷分布的关系两种对极化现象的描述方式可以互相转换在已极化的介质内任意作一闭合面S1）S把位于S附近的电介质分子分为两部分一部分在S内一部分在S外2)只有电偶极矩穿过S的分子对S内外的极化电荷才有贡献,其余电偶极子在S内整体来看静电荷为零推导定量关系P是矢量，可在介质中引入极化强度力线来描述它在外场中的极化在介质中沿着此曲线取一长度为dl的小柱体在其内部极化可视为是均匀的，端面dS与力线垂直即与微元内偶极子垂直如果dl取为偶极子电荷间间距微元内的偶极子必然穿过边界，对边界上的极化电荷有贡

5、献由定义单位体积内的偶极矩和即为极化强度考虑更一般的情况力线与端面并不垂直代入后显然有对任意介质界面成立n是界面外法向方向从P代表的介质指向界面外由电荷守恒，闭合曲面S内的净极化电荷当S面在介质内且介质均匀时，显然有当S面在介质内且介质非均匀时极化强度力线体极化电荷密度两种介质界面的极化电荷n是介质1表面的法线方向线性均匀介质中,极化迁出的电荷与迁入的电荷相等,不出现极化电荷分布不均匀介质或由多种不同结构物质混合而成的介质,可出现极化电荷在两种不同均匀介质交界面上的一个很薄的层内,由于两种物质的极化强度不同,存在极化面电荷分布根据上面公式显然有以下结论例1：如图示均匀电场中有均匀电

6、介质球。电介质求被均匀极化，极化强度为P，求极化电荷面密度已知介质被均匀极化，示意图如下思考：均匀场中的均匀介质就一定能被均匀极化？1.4退极化场极化电荷产生的电场就是退极化场*退极化场+Q–Q退极化场在外电场中，介质极化产生的束缚电荷，在其周围无论介质内部还是外部都产生附加电场称为退极化场。任一点的总场强为一般来说退极化场大体与原电场相反*三个矢量不一定平行P230注释均匀极化介质的内部，退极化场由介质的形状决定例2：如图示均匀电介质球极化强度为P，求退极化场••+++---退极化场必然与极化强度平行反向结合位移极化的物理图像沿外场方向正电球体的球心移动微小量0.5l逆外场方向负

7、电球体的球心移动微小量0.5l显然球体所在空间的每点处极化电荷在球中产生的电场等效于两带电球体的叠加由叠加法均匀极化球内退极化场也是均匀的任一带点球在空间电场1.5极化率实验表明在线性各向同性介质中的极化强度和电场强度有如下关系极化率(polarizability)称为电极化率或极化率,在各向同性线性电介质中它是一个纯数在各项同性的线性介质中P和E必然同向例3：求如图所示无限大带电平板情形，介质中的总电场．设介质的极化率为χe+Q–Q解：两侧极化电荷的合电场代入后还可