电磁学14-电介质的极化

§4.7 导体中的电磁感应及其应用
电磁感应对导体的运动的影响
•在磁场中运动的导体运动会受到阻碍。

–其中产生动生电动势，导致感生电流的出
现，根据愣次定律，导体运动受阻碍，这种现象称为电磁阻尼。

–可用于制动装置。

•相对于导体运动的磁场，会对导体产生牵引的力，推动导体运动。

–感应电动机的原理。

导体的抗磁性
•导体可以抵抗交变的磁场进入其体内，称为导体的抗磁性。

–因为电磁感应效应，导体中产生的感应电
流，根据愣次定律，其感应电流抵抗导体内磁场的变化。

当外磁场高频变化的情况，导体可以较好的阻挡其进入导体内。

这是导体的磁屏蔽。

与电屏蔽统称电磁屏蔽。

–对于稳衡条件下，导体一般没有抗磁性，即导体无法屏蔽稳衡磁场。

–超导体材料有完全抗磁性，称迈斯纳效应，这是因为其中没有电流的发热损耗，感应电流可以长期保持。

趋肤效应
•导线中通有交变电流时，导线中的电流分布是不均匀的，导线表面处电流密度较大，这种现象称趋肤效应。

–电流频率越高，趋肤效应越明显。

–趋肤效应使导线的有效电阻增大。

–应用：高频导线可采用多股
的辫线或表面镀银增加电导。

或采用中空管节省材料。

趋肤效应的理论解释，参见赵凯华《电磁学》高等教育出版社，1985，P.472
第五章电介质•电介质在电场中的极化
•电介质存在时的电场理论
§5.1 电介质及其极化
•笼统的说，电介质材料就是绝缘材料。

–一般的绝缘材料电导率<10-10(Ω.cm)-1;
–一般的导体电导率在104～106(Ω.cm)-1
•有介质填充的电容
–从现象上看，平板电容器中插入绝缘物质板
在电荷不变情况下极板间电压变小，即电容
器的电容量变大，这就是电介质的介电效应。

•实验研究表明电介质的介电效应是由于在电场的
作用下电介质上出现了宏观电荷分布。

•实验表明，电容器C0，极板间充满一种电介质
后，电容器的电容值变为ε
r C0，其中εr是由电
介质材料决定的一个常数，称为该种材料的介电常数。

电介质的极化现象(1)
•极化：电介质在外电场中出现宏观电荷分布的现象称电介质的极化
•极化电荷：电介质由于极化出现的宏观电荷。

–注意：极化电荷不能在电场作用下自由运动。

因此
又称“束缚电荷”。

•极化现象的微观解释：
–电介质所带的净电荷为零，一般也没有自由移动电
荷。

–电荷局限在原子或分子范围，原子或分子整体为电
中性，但是可以在其一端显示负电性，而另一端显
示为正电性，即从原子或分子的尺度看，是可以有
“电荷分布”的。

–大量原子的微观“电荷分布”的总体叠加效果，就可
能导致出现宏观电荷分布的现象。

电介质的极化现象(2)•构成电介质的分子
–无极分子：正负电荷的“有效中心”重合。

•比如，N
2，CCl
4
等
–有极分子：正负电荷的“有效中心”不重合。

•比如，H
2O，NH
3
等
•未极化的电介质不显示宏观的电荷分布–无极分子不会产生宏观电荷。

–有极分子大量随机分布，宏观平均电荷为零。

•在外电场下电介质极化，显示宏观电荷分布：–位移极化：无极分子正负电荷“有效中心”不再重合。

•电子位移极化
•离子位移极化
–取向极化：大量有极分子发生定向排列。

电介质的击穿
•理想电介质中没有自由电荷，但是实际的电介质中总是存在一定的自由电荷。

可以在电场作用下产生微弱的电流。

•加在电介质上的电场强度足够大时，电介质中的电流迅速增加，其绝缘性能被破坏，甚至电介质可能被烧毁。

这叫电介质的击穿。

–这是因为电介质中的分子被电离，产生大量自由电荷，故电介质中的电流急速增加。

•在本章，主要讨论理想电介质的极化。

一般不考虑其自由电荷和击穿效应。

P v +++++
−−−−−
电介质的分类
•线性、非线性电介质
–线性：P和E成线性关系
–非线性：P和E有非线性关系，比如和E的2次方有关•各向同性、各向异性电介质
–各向同性：各个方向上极化率相同，P和E方向相同。

–各向异性：极化率随方向变化（比如某些单晶材料，
如石英等），用张量表示P；P和E方向不相同
•均匀、非均匀电介质
–均匀：体内各处材料性质相同，体内极化率各处相同–非均匀：各处材料性质不同，极化率随位置变化。

•一般的，在本课程的讨论中，若非特别说明，电介质都是均匀、线性、各向同性的。

+−++
−−
填充电介质的电容器
•一般的，电容器是作为电路元件使用，希望有线性行为，在填充电介质时常填充各向同性线性电介质。

•一般的填充均匀各向同性线性电介质的电容器，电容增加为原来的倍。

因此，为获得较大的电容，可以采用高介电常数的电介质。

•由于电介质会在高场强下击穿，因此电容的使用电压有一定限制。

•电介质的极化需要经历一个时间过程，因此电容器的使用有一定的频率上限。

•此外，由于电介质的极化受温度、湿度等因素的影响，因此电容性能会受环境的影响。

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