電磁學(xué)第章靜電場(chǎng)中的電介質(zhì).ppt

1 15 1電介質(zhì)的極化 15 2有介質(zhì)時(shí)靜電場(chǎng)的規(guī)律 15 3電容器及其電容 15 4有介質(zhì)時(shí)的靜電場(chǎng)能量 15 5鐵電體 壓電效應(yīng) 第十五章靜電場(chǎng)中的電介質(zhì) 2 15 1電介質(zhì)的極化 電介質(zhì) 與導(dǎo)體對(duì)立 是電的絕緣體 自身無(wú)自由電荷 不導(dǎo)電 演示 電介質(zhì)在電場(chǎng)下的極化和對(duì)電場(chǎng)的影響 電容器極板電量保持不變 插入電介質(zhì) 靜電計(jì)指針張角減小 表明極板間的電場(chǎng)減弱 取出電介質(zhì) 張角復(fù)原 3 電介質(zhì)極化 電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下 體內(nèi)或界面出現(xiàn)極化電荷 束縛電荷 的現(xiàn)象 不同于導(dǎo)體中的自由電荷 在介質(zhì)內(nèi) 極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)不能完全抵消外電場(chǎng) 一 電介質(zhì)的微觀電結(jié)構(gòu) 原子 分子是由原子核和電子云構(gòu)成 考慮它們?cè)谶h(yuǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)時(shí) 作為簡(jiǎn)化 可將所有正 負(fù) 電荷用一個(gè)帶正 負(fù) 電的點(diǎn)電荷來(lái)等效 其位置稱為正 負(fù) 電荷中心 4 5 二 極化機(jī)制 1 無(wú)極分子的位移極化 6 2 有極分子的取向極化 7 注意 有極分子在外場(chǎng)作用下也會(huì)產(chǎn)生感生電偶極矩 發(fā)生位移極化 在靜電場(chǎng)中取向極化起主要作用 在高頻場(chǎng)中 分子的慣性導(dǎo)致位移極化成為主要因素 3 離子位移極化 有些電介質(zhì)是離子晶體 如NaCl BaTiO3 正負(fù)離子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生相對(duì)位移 形成感生電偶極矩 使電介質(zhì)極化 TV 電介質(zhì)極化 8 上面討論忽略了對(duì)外場(chǎng)源電荷分布的影響 三 極化過(guò)程 靜電平衡過(guò)程 開(kāi)始外電場(chǎng)使介質(zhì)極化 產(chǎn)生極化電荷激發(fā)附加電場(chǎng) 與外電場(chǎng)疊加構(gòu)成總電場(chǎng) 之后使介質(zhì)進(jìn)一步極化 產(chǎn)生新的極化電荷激發(fā)新的 與疊加構(gòu)成新的 如此下去直到靜電平衡 9 四 極化強(qiáng)度 為反映電介質(zhì)被極化的程度 定義極化強(qiáng)度矢量 單位體積中分子電偶極矩的矢量和 也反映分子的電偶極矩排列的有序程度 可認(rèn)為是電介質(zhì)對(duì)總電場(chǎng)的一種響應(yīng) 10 1 各向同性線性電介質(zhì) 五 電介質(zhì)的極化規(guī)律 e 電極化率 r 相對(duì)介電常量 當(dāng)不太強(qiáng)時(shí) 與呈線性關(guān)系 這時(shí)電介質(zhì)可看成是線性電介質(zhì) 此時(shí) e和 r都是無(wú)量綱的正數(shù) 故 11 2 各向異性線性電介質(zhì) 本課程只討論各向同性線性電介質(zhì) 此時(shí) e r是2階對(duì)稱張量 3 3對(duì)稱矩陣 12 六 極化電荷 在介質(zhì)內(nèi)任選封閉曲面S 體積為V 電偶極子對(duì)V內(nèi)極化電荷的貢獻(xiàn) 完全在V內(nèi)的電偶極子 黑色 沒(méi)貢獻(xiàn) 被S分割的 正電荷在V內(nèi)的電偶極子貢獻(xiàn)正電荷 左邊紅色 被S分割的 負(fù)電荷在V內(nèi)的電偶極子貢獻(xiàn)負(fù)電荷 右邊藍(lán)色 13 14 貢獻(xiàn) q 貢獻(xiàn) q 設(shè)單位體積分子數(shù)為n 小柱體的總貢獻(xiàn)是 15 任意封閉曲面包圍的極化電荷 直角坐標(biāo)系下 1 極化體電荷密度 稱為的 散度 16 2 極化面電荷密度 真空 介質(zhì)交界面處的極化面電荷密度 由介質(zhì)指向真空 17 例 介質(zhì)球均勻極化 極化強(qiáng)度 求 解 思考 求極化電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng) 18 為什么帶靜電的梳子能吸引水柱 紙屑 19 靜電噴漆 靜電空氣清潔機(jī) 20 七 電介質(zhì)的擊穿 當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí) 電介質(zhì)的正負(fù)電中心可能被進(jìn)一步拉開(kāi) 出現(xiàn)可以自由移動(dòng)的電荷 電介質(zhì)就變?yōu)閷?dǎo)體了 稱為電介質(zhì)擊穿 電介質(zhì)能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度稱為擊穿場(chǎng)強(qiáng)或介電強(qiáng)度 如空氣約3V mm 被高壓擊穿的樹(shù)脂玻璃 21 15 2有介質(zhì)時(shí)靜電場(chǎng)的規(guī)律 對(duì)靜電場(chǎng) 有介質(zhì)存在時(shí) 高斯定理和環(huán)路定理仍然成立 注意 是所有電荷 即自由電荷和極化電荷產(chǎn)生的總場(chǎng)強(qiáng) 22 一 的高斯定理 實(shí)際中 自由電荷q0是已知量 如電容器的金屬極板所帶電量 極化電荷q 是未知量 所以直接使用的高斯定理并不方便 修改的高斯定理 使之只出現(xiàn)自由電荷項(xiàng) 23 定義輔助量電位移矢量 的高斯定理 普適關(guān)系 電位移矢量對(duì)任意封閉曲面的通量 等于該封閉曲面包圍的自由電荷的代數(shù)和 微分形式 24 二 各向同性線性電介質(zhì)的規(guī)律 介電常數(shù) 電容率 在介質(zhì)中用 真空中 注意 通常情況下和自由電荷分布 極化電荷分布都有關(guān) 只當(dāng)介質(zhì)的分布滿足一定條件時(shí) 才與極化電荷無(wú)關(guān) 空間方向一致 25 證 對(duì)介質(zhì)內(nèi)的任一封閉曲面S 體積V 極化電荷分布規(guī)律 對(duì)均勻各向同性介質(zhì) 不論其極化是否均勻 是否為常矢量 體內(nèi)自由電荷為零處 極化電荷必然為零 0 0處 0 若體內(nèi)無(wú)自由電荷 極化電荷只能分布在介質(zhì)表面 26 27 非均勻介質(zhì)可看成是 體積 0 的均勻介質(zhì)小顆粒的集合 非均勻介質(zhì)內(nèi)部可出現(xiàn)極化體電荷分布 28 求 的分布 解 導(dǎo)體球外電場(chǎng)不為零 且呈球?qū)ΨQ分布 在導(dǎo)體球外選高斯面S 例 半徑R1 電量q0的導(dǎo)體球套均勻介質(zhì)球殼 外半徑R2 相對(duì)介電常量 r 電場(chǎng)分布 29 介質(zhì)外 介質(zhì)內(nèi) 極化電荷分布 介質(zhì)內(nèi)部 均勻介質(zhì) 極化強(qiáng)度 或由 可證 30 介質(zhì)內(nèi)表面 介質(zhì)外表面 31 思考 曲線為何不連續(xù) 注意 起作用的仍是電場(chǎng)而不是 總場(chǎng)強(qiáng)是三個(gè)均勻帶電球面的電場(chǎng)疊加 32 三 靜電場(chǎng)的界面關(guān)系 1 法向關(guān)系 由介質(zhì)2指向介質(zhì)1 思考 界面處的法向關(guān)系是什么 高 33 2 切向關(guān)系 環(huán) 34 3 各向同性介質(zhì)交界面 若 則 若 1 2 則 1 2 電場(chǎng)線的 折射 線的 折射 35 四 兩個(gè)重要規(guī)律 1 介質(zhì)界面與等勢(shì)面重合 各等勢(shì)面之間區(qū)域用同一種均勻各向同性線性介質(zhì)填充時(shí) 在各介質(zhì)內(nèi)有 由自由電荷q0 在保持分布不變的情況下 挖去所有介質(zhì)后產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng) 這種情況下 只決定于自由電荷q0的分布 36 典型例子 2 介質(zhì)界面與 電場(chǎng)線管表面 重合 37 設(shè)導(dǎo)體帶電q0 電場(chǎng)線分布如圖 若在電場(chǎng)線管區(qū)域填充同一種均勻各向同性線性介質(zhì) 則結(jié)果會(huì)如何呢 填充后的電場(chǎng)保持填充前電場(chǎng)的對(duì)稱性 并成比例 這要求 導(dǎo)體表面自由電荷 與導(dǎo)體接觸的介質(zhì)表面的極化電荷 二者在導(dǎo)體表面S處所構(gòu)成的總面電荷分布形式 要和沒(méi)填介質(zhì)時(shí)的自由面電荷分布形式一樣 成比例 38 注意 電場(chǎng)線管表面既是電場(chǎng)線 也是介質(zhì)之間的交界面 此處無(wú)法向分量 故也無(wú)極化面電荷 極化電荷只出現(xiàn)在與導(dǎo)體相接觸的各介質(zhì)面Si上 導(dǎo)體表面的自由電荷在各Si面上重新分配 以補(bǔ)償引起的差異 使得在S面的分布形式 和沒(méi)填介質(zhì)之前自由電荷在S面的分布形式一樣 39 對(duì)任一包圍導(dǎo)體的高斯面S有 因保持著原來(lái)的對(duì)稱性 對(duì)某些具有一維對(duì)稱性的體系 如下面的典型例子 40 適當(dāng)選擇體現(xiàn)對(duì)稱性的高斯面 有 例如 41 自由電荷在極板上的分布是不均勻的 但其不均勻性正好被極化電荷所補(bǔ)償 使總的面電荷密度均勻 保證總電場(chǎng)E均勻 上面介紹的兩個(gè)規(guī)律為何成立 靜電唯一性定理所保證的 自己驗(yàn)證 42 一 電容器原理 實(shí)驗(yàn)和理論 唯一性定理 表明 要使其不受外界影響 可用金屬殼對(duì)其靜電屏蔽 這就是電容器 電容器的電容只取決于電容器的結(jié)構(gòu) 對(duì)孤立帶電導(dǎo)體存在關(guān)系 15 3電容器及其電容 43 平行板電容器 二 電容器公式 園柱形電容器 球形電容器 孤立導(dǎo)體球 44 問(wèn) 從a b端看 該系統(tǒng)的電容是否等于平行板電容器的電容 2 如圖 平行板電容器被一金屬盒子包圍 電容器與金屬盒之間絕緣 1 電容器兩極板電量不是等量異號(hào)時(shí) 如何由定義C Q U計(jì)算電容 Q取何值 思考 45 一 電容器存儲(chǔ)的能量 15 4有介質(zhì)時(shí)的靜電場(chǎng)能量 定義 使電容器帶電 外界如電源做的功 可通過(guò)電容器的充 放 電過(guò)程計(jì)算 對(duì)放電