电介质 ppt课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
qintqo u t SPdS
表明：封闭面内的体束缚电荷等于通过该封闭面 的电极化强度通量的负值。
5. 电介质的击穿 外加电场不强 外加电场很强
电介质被极化 电介质被击穿
分子中的正负电荷被拉开而变成可以自由移动 的电荷。若大量的这种自由电荷的产生，电介 质的绝缘性就会遭到明显的破坏而变成导体。
——电介质的击穿
◆ 若面碰巧是电介质的面临真空的表面，则得到 面束缚电荷密度：
Pco sPen
讨论
在电场中极化后，介质表面将出现束缚电荷，外法 线与场强夹角小于 90° 的表面带正电；外法线与 场强夹角大于 90° 的表面带负电。
讨论题：
在均匀电场中分别有一个介质球和一个介质中的球形 空腔，问极化电荷的电场是加强还是削弱球心处的电 场？
en －
削弱
－ －
－
E’
•
－
－
E0
+ en
+ + + ++
E0
+
++en
+
E’
•
++
－
en－－
－ － －
增强
讨论题：
电介质在外电场中极化后，两端出现等量异号电荷， 若把它截成两半后分开，再撤去外电场，问这两个半 截的电介质上是否带电？为什么？
不带电
分析：因为电介质极化后所带的电荷是束缚电荷， 不能象导体中的自由电荷那样能用传导的方法引走。 所以当电介质被截成两半后撤去外电场，极化的电 介质又恢复原状，仍保持中性。
5.2 电介质的极化
一. 电介质的分类 从分子由正、负电荷重心的分布来看，电介质可分 为两类。
(1) 分子内正、负电荷的重
+
心不相重合，其间有一定距
lp
离——极性分子
如氯化氢(HCl)、水(H2O)、 甲醇(CH3OH)等。
电矩为：p = ql 固有电矩
a. 极性分子
(2) 分子内正、负电荷重心是重合的，这类分子 称为非极性分子。
因此，在宏观上表征电介质的极化程度和讨论有电 介质存在的电场时，就无需把这两类电介质区别开 来，而可统一地进行论述。
三. 电极化强度矢量
1. P：表征电介质的电极化程度的物理量
P pi V
对于非极性分子而言，每个分子的感生电矩都相
同，则
P = np
n：单位体积内的分子数
SI单位：C/m2 （与面电荷密度的单位相同）
如氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)等。
电矩：p = 0
+
b. 非极性分子
二.电介质的极化 电介质在外电场中
1. 当非极性分子处在外电场 E0 中时，每个分
子中的正、负电荷将分别受到相反方向的电场力 F+ 、 F- 作用而被拉开，导致正、负电荷重心发 生相对位移 l 而成为一个电偶极子。
E
F
介电强度（或击穿场强）：一种电介质材料所能 承受的不被击穿的最大电场强度。
5.3 D 的高斯定律
1. 有电介质存在的静电场
有电荷，就会激发电场。因此，不但自由电荷要激 发电场，电介质中的束缚电荷同样也要在它周围空 间(无论电介质内部或外部)激发电场。
按电场强度叠加原理：
EE0E 束缚电荷激发的场强
E
++++++
E
注意：如果撤去外电场，由于分 子热运动，分子电矩的排列又将 变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性。
小结
两种电介质，其极化的微观过程虽然不同，但却有 同样的宏观效果：
1. 介质极化后，都使得其中所有分子电矩的矢量
和 pi 0，同时在介质上都要出现面束缚电荷；
2. 电场越强，电场对介质的极化作用越剧烈，介质 上出现的束缚电荷也就越多。
2. 理解电容的概念，会计算电容器的电容。
3. 了解有介质时的电场能量的计算。
5.1 电介质对电场的影响
U0
Q
+++++++
-------
Q
U
Q
r
+++++++
-------
Q
U
1
r
U0
U0E0d, UEd
E E0 r
r 1~104
电介质的相对介电
电介质的插入使板间的电场减弱 常量(相对电容率)
dS e n
EP
l
体积元 dV 内的分子的正 电荷的重心都能越过 dS 面到前侧去。
极化电荷的产生
由于极化而越过 dS 面的总电荷为：
d q qd V nqd n Scl os
dS e n
将 p = ql，P = np 代入得：
dqPcodsSPdS
EP
l
极化电荷的产生
ddqSPcosPen
表示：dS 面上因极化而越 过单位面积的电荷
2. 当有极分子电介质在有外电场 E0 时，每个分子 的固有电矩都受到力偶矩作用，要转向外电场的方
向。
E
F
p
F
注意：由于分子热运动的干扰， 并不能使各分子电矩都循外电场 的方向整齐排列。外电场愈强， 分子电矩的排列愈趋向于整齐。
◆ 整块的极性电介质
在垂直于外电场方向的两个表面上也出现面束缚 电荷。
3. 电介质内部的体束缚电荷
在电介质内部作任一封闭曲面 S
en
P
dS
由于极化而越过 dS 面向外移 出封闭面的电荷为：
d q o u tP co d Ss P d S
qint
S
体束缚电荷的产生
通过整个封闭面向外移出的电 荷为：
qo u t Sdqo u t SPdS
电介质是中性的，根据电荷守恒定律，由于电 极化而在封闭面内留下的多余的电荷为：
第五章 静电场中的电介质
电介质 (绝缘体)：内部没有可以自由移动的电荷， 因而完全不能导电。
电介质在外电场的作用下会发生电极化现象，从而 会反过来影响原电场的分布。
本章主要内容
讨论处于外电场中的电介质的极化现象及其与外 电场之间相互影响的规律。
本章基本要求
1. 了解静电场中电介质的极化现象及其微观本质； 理解有介质时的高斯定理。
电介质的电极化强度随外电场的增强而增大。
实验指出，对于各向同性的电介质，其中每一点 的电极化强度 P 大小与该点的总电场强度 E 大 小成正比，且方向相同，即
P0(r1)E
电极化率 r 1 P0E
2. 电极化强度 P 与面束缚电荷的关系
以非极性分子为例考虑电介质内部某一小面元 dS 处 的极化
dV
感生电矩： p ql
+
pl
其方向都沿着外电场的方向
F
◆ 整块的非极性分子电介质
在外电场作用下，在和外电场垂直的电介质两侧 表面上，分别出现正、负电荷层。
E
++++பைடு நூலகம்+
E
注：这两侧表面上分别出现的正
电荷和负电荷是和介质分子连在 一起的，不能在电介质中自由移 动，也不能脱离电介质而独立存 在，故称为面束缚电荷或面极化 电荷。
总场强
自由电荷激 发的场强
2. 有电介质存在的高斯定律，电位移矢量 D
表明：封闭面内的体束缚电荷等于通过该封闭面 的电极化强度通量的负值。
5. 电介质的击穿 外加电场不强 外加电场很强
电介质被极化 电介质被击穿
分子中的正负电荷被拉开而变成可以自由移动 的电荷。若大量的这种自由电荷的产生，电介 质的绝缘性就会遭到明显的破坏而变成导体。
——电介质的击穿
◆ 若面碰巧是电介质的面临真空的表面，则得到 面束缚电荷密度：
Pco sPen
讨论
在电场中极化后，介质表面将出现束缚电荷，外法 线与场强夹角小于 90° 的表面带正电；外法线与 场强夹角大于 90° 的表面带负电。
讨论题：
在均匀电场中分别有一个介质球和一个介质中的球形 空腔，问极化电荷的电场是加强还是削弱球心处的电 场？
en －
削弱
－ －
－
E’
•
－
－
E0
+ en
+ + + ++
E0
+
++en
+
E’
•
++
－
en－－
－ － －
增强
讨论题：
电介质在外电场中极化后，两端出现等量异号电荷， 若把它截成两半后分开，再撤去外电场，问这两个半 截的电介质上是否带电？为什么？
不带电
分析：因为电介质极化后所带的电荷是束缚电荷， 不能象导体中的自由电荷那样能用传导的方法引走。 所以当电介质被截成两半后撤去外电场，极化的电 介质又恢复原状，仍保持中性。
5.2 电介质的极化
一. 电介质的分类 从分子由正、负电荷重心的分布来看，电介质可分 为两类。
(1) 分子内正、负电荷的重
+
心不相重合，其间有一定距
lp
离——极性分子
如氯化氢(HCl)、水(H2O)、 甲醇(CH3OH)等。
电矩为：p = ql 固有电矩
a. 极性分子
(2) 分子内正、负电荷重心是重合的，这类分子 称为非极性分子。
因此，在宏观上表征电介质的极化程度和讨论有电 介质存在的电场时，就无需把这两类电介质区别开 来，而可统一地进行论述。
三. 电极化强度矢量
1. P：表征电介质的电极化程度的物理量
P pi V
对于非极性分子而言，每个分子的感生电矩都相
同，则
P = np
n：单位体积内的分子数
SI单位：C/m2 （与面电荷密度的单位相同）
如氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)等。
电矩：p = 0
+
b. 非极性分子
二.电介质的极化 电介质在外电场中
1. 当非极性分子处在外电场 E0 中时，每个分
子中的正、负电荷将分别受到相反方向的电场力 F+ 、 F- 作用而被拉开，导致正、负电荷重心发 生相对位移 l 而成为一个电偶极子。
E
F
介电强度（或击穿场强）：一种电介质材料所能 承受的不被击穿的最大电场强度。
5.3 D 的高斯定律
1. 有电介质存在的静电场
有电荷，就会激发电场。因此，不但自由电荷要激 发电场，电介质中的束缚电荷同样也要在它周围空 间(无论电介质内部或外部)激发电场。
按电场强度叠加原理：
EE0E 束缚电荷激发的场强
E
++++++
E
注意：如果撤去外电场，由于分 子热运动，分子电矩的排列又将 变得杂乱无序，电介质又恢复电 中性。
小结
两种电介质，其极化的微观过程虽然不同，但却有 同样的宏观效果：
1. 介质极化后，都使得其中所有分子电矩的矢量
和 pi 0，同时在介质上都要出现面束缚电荷；
2. 电场越强，电场对介质的极化作用越剧烈，介质 上出现的束缚电荷也就越多。
2. 理解电容的概念，会计算电容器的电容。
3. 了解有介质时的电场能量的计算。
5.1 电介质对电场的影响
U0
Q
+++++++
-------
Q
U
Q
r
+++++++
-------
Q
U
1
r
U0
U0E0d, UEd
E E0 r
r 1~104
电介质的相对介电
电介质的插入使板间的电场减弱 常量(相对电容率)
dS e n
EP
l
体积元 dV 内的分子的正 电荷的重心都能越过 dS 面到前侧去。
极化电荷的产生
由于极化而越过 dS 面的总电荷为：
d q qd V nqd n Scl os
dS e n
将 p = ql，P = np 代入得：
dqPcodsSPdS
EP
l
极化电荷的产生
ddqSPcosPen
表示：dS 面上因极化而越 过单位面积的电荷
2. 当有极分子电介质在有外电场 E0 时，每个分子 的固有电矩都受到力偶矩作用，要转向外电场的方
向。
E
F
p
F
注意：由于分子热运动的干扰， 并不能使各分子电矩都循外电场 的方向整齐排列。外电场愈强， 分子电矩的排列愈趋向于整齐。
◆ 整块的极性电介质
在垂直于外电场方向的两个表面上也出现面束缚 电荷。
3. 电介质内部的体束缚电荷
在电介质内部作任一封闭曲面 S
en
P
dS
由于极化而越过 dS 面向外移 出封闭面的电荷为：
d q o u tP co d Ss P d S
qint
S
体束缚电荷的产生
通过整个封闭面向外移出的电 荷为：
qo u t Sdqo u t SPdS
电介质是中性的，根据电荷守恒定律，由于电 极化而在封闭面内留下的多余的电荷为：
第五章 静电场中的电介质
电介质 (绝缘体)：内部没有可以自由移动的电荷， 因而完全不能导电。
电介质在外电场的作用下会发生电极化现象，从而 会反过来影响原电场的分布。
本章主要内容
讨论处于外电场中的电介质的极化现象及其与外 电场之间相互影响的规律。
本章基本要求
1. 了解静电场中电介质的极化现象及其微观本质； 理解有介质时的高斯定理。
电介质的电极化强度随外电场的增强而增大。
实验指出，对于各向同性的电介质，其中每一点 的电极化强度 P 大小与该点的总电场强度 E 大 小成正比，且方向相同，即
P0(r1)E
电极化率 r 1 P0E
2. 电极化强度 P 与面束缚电荷的关系
以非极性分子为例考虑电介质内部某一小面元 dS 处 的极化
dV
感生电矩： p ql
+
pl
其方向都沿着外电场的方向
F
◆ 整块的非极性分子电介质
在外电场作用下，在和外电场垂直的电介质两侧 表面上，分别出现正、负电荷层。
E
++++பைடு நூலகம்+
E
注：这两侧表面上分别出现的正
电荷和负电荷是和介质分子连在 一起的，不能在电介质中自由移 动，也不能脱离电介质而独立存 在，故称为面束缚电荷或面极化 电荷。
总场强
自由电荷激 发的场强
2. 有电介质存在的高斯定律，电位移矢量 D