电容器中电介质的作用

电容器中电介质的作用

山东省肥城市第一高级中学 于茂刚 271600

高中教材在提到电介质对平行板电容器的电容的影响时，只是通过演示实验就直接得出了结论：当两极板间充满同一种电介质时，电容变大为真空时的r ε倍，即kd

S C r πε4= ，r ε 是一个常数，与电介质的性质有关，称为电介质的相对介电常数。学生只能记住结论，对电介质的特性和电介质对电容的影响机理产生疑惑，就此谈一下电容器中电介质的作用。

电介质不同于金属，电介质的电阻率一般都很

高,称为绝缘体，介质中没有（或几乎没有）能够自由

移动的电荷，这种电荷叫做束缚电荷。在电场中静

电平衡条件下，电介质的内部仍有电场存在。在外

电场作用下，电介质的表面将出现正负束缚电荷，

这就是电介质的极化现象。如图所示，由于极化，

在电介质中的极化电场 E ′（图中方向向左）削弱了没有电介质时的电场 E （图中方向向右）。由此可见，在两个极板之间的合电场强度的大小比 E 小。 实验和理论证明，在这种情况下，电介质内的合电场强度为E/r ε.如果极板之间充满相对介电常数为r ε的电介质，则极板之间的合电场强度为E/r ε ，这时的电

容器在容纳的电荷量一定的情况下，两极板之间的电势差比没有电介质时小，根据 U

Q C =，知这时相当于电容器的电容增大了。两极板间如果不加电介质的话,两极板间会被空气占据，空气有一定的导电能力,因而电容器存储电荷的能力会弱一些,而加入电介质后,电容正负极板的绝缘性能就要比没有电介质时好,也

就是存储电荷的能力提高了,所以电容也就升高了， 电容器中间的电介质起到了提高电容容量的作用。

例如：在两极板间相距为d 的平行板电容器中，（1）插入一块厚为d/2的金属大平板（此板与两极板平行），其电容变为原来的多少倍？（2）如果插入一块厚为d/2相对介电常数为r ε的电介质大平板，则又会如何？（3）如果插入一

块厚为d 相对介电常数为r ε的电介质大平板，则又会如何？

解析：（1）插入一块厚为d/2的金属大平板时，在电场作用下，在金属板处于静电平衡状态，内部电场强度处处为0,整个金属大平板是一个等势体，整个金属大平板上没有电压降，两极板之间的距离缩短为d/2，极板间的电场强度E 未变

（因为E ,Cd

Q d

U == , C 、d 成反比，C 、d 乘积不变，所以E 不变），所以两极板间的电压2'd E U ⋅=,所以根据电容的定义U Q C ==Ed Q 知，此时的电容器的电容变为原来的2倍。

（2）插入一块厚为d/2相对介电常数为r ε的电介质大平板时，两极板之间的

电压'U =r r r Ed d E d

E εεε2122+⋅=⋅+⋅,所以所以根据电容的定义U Q C ==Ed

Q 知, 此时的电容器的电容变为原来的

r r εε+12倍。 （3）插入一块厚为d 相对介电常数为r ε的电介质大平板，两极板间充满了这种

电介质。两极板间的电压'U =d E

r ⋅ε，所以所以根据电容的定义U Q C ==Ed

Q 知, 此时的电容器的电容变为原来的r ε倍。

思考：为什么不采用插入金属板的方式来增大电容器的电容？因为电容器极板之间需要保持良好的绝缘性，所以只能采用插入电介质的方式来增大电容器的电容。