電介質(zhì)及其極化(完整)

1、9-4電介質(zhì)及其極化電介質(zhì)及其極化1.有極分子和無(wú)極分子電介質(zhì)有極分子和無(wú)極分子電介質(zhì)2.電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化3.電極化強(qiáng)度電極化強(qiáng)度一、有極分子和無(wú)機(jī)分子電介質(zhì)一、有極分子和無(wú)機(jī)分子電介質(zhì)電介質(zhì)是電阻率很大、導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。電介質(zhì)是電阻率很大、導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。在靜電問(wèn)題中，常把電介質(zhì)看作理想的絕緣體在靜電問(wèn)題中，常把電介質(zhì)看作理想的絕緣體 。有極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心有極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心不不重合。重合。ClHpHHPoNHHHP+有極分子的等效電偶極矩：有極分子的等效電偶極矩：整個(gè)電介質(zhì)可以看成是無(wú)整個(gè)電介質(zhì)可以看成是無(wú)數(shù)的點(diǎn)偶極子的聚集體。數(shù)的點(diǎn)偶

2、極子的聚集體。雖然每個(gè)分子的等效點(diǎn)偶雖然每個(gè)分子的等效點(diǎn)偶極矩不為零，但不管從電極矩不為零，但不管從電介質(zhì)整體來(lái)看，還是從電介質(zhì)整體來(lái)看，還是從電解質(zhì)的某一小體積來(lái)看，解質(zhì)的某一小體積來(lái)看，電解質(zhì)是呈中性的。電解質(zhì)是呈中性的。erqp無(wú)極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心無(wú)極分子：分子的正電荷中心與負(fù)電荷中心重合。重合。無(wú)極分子的等效電偶極矩：無(wú)極分子的等效電偶極矩：無(wú)極分子電介質(zhì)整體也是呈無(wú)極分子電介質(zhì)整體也是呈中性的。中性的。0p二、電介質(zhì)的極化二、電介質(zhì)的極化1、無(wú)極分子的位移極化、無(wú)極分子的位移極化加上外電場(chǎng)后，在電場(chǎng)力作用下電介質(zhì)分加上外電場(chǎng)后，在電場(chǎng)力作用下電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心

3、不再重合，形成一個(gè)電子的正負(fù)電荷中心不再重合，形成一個(gè)電偶極子，它們的等效電偶極矩偶極子，它們的等效電偶極矩P P的方向都的方向都沿著電場(chǎng)的方向。沿著電場(chǎng)的方向。E無(wú) 電 場(chǎng) 時(shí)有 電 場(chǎng) 時(shí)+電介質(zhì)的兩個(gè)和外電場(chǎng)強(qiáng)度電介質(zhì)的兩個(gè)和外電場(chǎng)強(qiáng)度 相垂直的相垂直的表面層里，將分別出現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷。表面層里，將分別出現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷。這些電荷不能離開(kāi)介質(zhì)，也不能在電介質(zhì)這些電荷不能離開(kāi)介質(zhì)，也不能在電介質(zhì)中自有移動(dòng)，我們稱(chēng)之為極化電荷。這種中自有移動(dòng)，我們稱(chēng)之為極化電荷。這種在外電場(chǎng)作用下，在電介質(zhì)中出現(xiàn)極化電在外電場(chǎng)作用下，在電介質(zhì)中出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象叫做荷的現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。由

4、于由于無(wú)極分子無(wú)極分子的極化在于正、負(fù)電荷中心的極化在于正、負(fù)電荷中心的相對(duì)位移，所以常叫做的相對(duì)位移，所以常叫做位移極化。位移極化。0E2、有極分子的取向極化、有極分子的取向極化在外電場(chǎng)中有極分子的固有電矩要受到一在外電場(chǎng)中有極分子的固有電矩要受到一個(gè)力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場(chǎng)方向個(gè)力矩作用，電矩方向轉(zhuǎn)向和外電場(chǎng)方向趨于一致。趨于一致。+E無(wú) 電 場(chǎng) 時(shí)有 電 場(chǎng) 時(shí)+無(wú)外電場(chǎng)時(shí)無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，有極分子電偶極矩取向不同，有極分子電偶極矩取向不同，整個(gè)介質(zhì)整個(gè)介質(zhì)不帶電不帶電。有機(jī)分子的極化就是等效電偶極子轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)的方向，所以叫做取向極化。一般來(lái)說(shuō)，分子在取向極化的同時(shí)還一般來(lái)說(shuō)，分子在取向

5、極化的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生位移極化，但是，對(duì)于有極分會(huì)產(chǎn)生位移極化，但是，對(duì)于有極分子電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，在靜電場(chǎng)作用下，取子電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，在靜電場(chǎng)作用下，取向極化的效應(yīng)比位移極化的效應(yīng)強(qiáng)得向極化的效應(yīng)比位移極化的效應(yīng)強(qiáng)得多，所以有極分子的極化機(jī)理是取向多，所以有極分子的極化機(jī)理是取向極化。極化。三、電極化強(qiáng)度三、電極化強(qiáng)度上面從分子的結(jié)構(gòu)出發(fā)，說(shuō)明了兩類(lèi)不同上面從分子的結(jié)構(gòu)出發(fā)，說(shuō)明了兩類(lèi)不同的電介質(zhì)的極化過(guò)程，這兩類(lèi)電介質(zhì)極化的電介質(zhì)的極化過(guò)程，這兩類(lèi)電介質(zhì)極化的微觀過(guò)程雖然不同，但宏觀的效果卻是的微觀過(guò)程雖然不同，但宏觀的效果卻是相同的，都是在電介質(zhì)的兩個(gè)相對(duì)表面上相同的，都是在電介質(zhì)的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)

6、了異號(hào)的極化電荷，在電介質(zhì)內(nèi)部有出現(xiàn)了異號(hào)的極化電荷，在電介質(zhì)內(nèi)部有沿電場(chǎng)方向的電偶極矩。沿電場(chǎng)方向的電偶極矩。1、電極化強(qiáng)度矢量、電極化強(qiáng)度矢量VPP單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和電極化強(qiáng)度的單位是電極化強(qiáng)度的單位是2/ mC2、電極化強(qiáng)度與總場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系、電極化強(qiáng)度與總場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系EPe0式中的比例因數(shù)式中的比例因數(shù) 和電和電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，叫做介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，叫做介質(zhì)的介質(zhì)的電極化率。電極化率。e 3、束縛電荷與電極化強(qiáng)度的關(guān)系：、束縛電荷與電極化強(qiáng)度的關(guān)系：電偶極矩電偶極矩LdSqL電偶極矩的矢量和電偶極矩的矢量和因斜柱體的體積為因斜柱體的體積為 ，按定義，電

7、，按定義，電極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度P的大小為的大小為L(zhǎng)dSpcosdSLdV cosdVPppnppncosEP,nlSd上式表明，電介質(zhì)極化時(shí)產(chǎn)生的極化電上式表明，電介質(zhì)極化時(shí)產(chǎn)生的極化電荷的面密度，等于電極化強(qiáng)度沿外法線荷的面密度，等于電極化強(qiáng)度沿外法線方向的分量。方向的分量。例例9-4 半徑半徑R 的介質(zhì)球被均勻極化，極化強(qiáng)的介質(zhì)球被均勻極化，極化強(qiáng)度為度為P。求：求：1) 介質(zhì)球表面的分布；介質(zhì)球表面的分布；2) 極化電荷在球極化電荷在球心處的場(chǎng)。心處的場(chǎng)。PnSdxPdx cosPnP 由此可知，右半球面上由此可知，右半球面上0 左半球面上左半球面上0最最大大。處處，及及；處處， 0022

8、) 在球面上取環(huán)帶在球面上取環(huán)帶d dcossin2dsin2d22 RPRq解：解：1) 球面上任一點(diǎn)球面上任一點(diǎn)dcossin2cos4dd2020PRqE 00203dcossin2dPPEE E E 沿沿x x軸負(fù)方向。軸負(fù)方向。在球心處的場(chǎng)在球心處的場(chǎng)9-5電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)電介質(zhì)中的靜電場(chǎng)空間任一點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)空間任一點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)E應(yīng)該是應(yīng)該是0EEE外電場(chǎng)外電場(chǎng)總電場(chǎng)總電場(chǎng)極化電荷所極化電荷所激發(fā)電場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)一、平行板電容器均勻電介質(zhì)一、平行板電容器均勻電介質(zhì)極板間電介質(zhì)中的合極板間電介質(zhì)中的合場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)E的大小為的大小為0EEE000+ + + + +-EE0E00電介質(zhì)中的電極化強(qiáng)度為

9、電介質(zhì)中的電極化強(qiáng)度為而而 代入上式得代入上式得Epe0pEEPEEe000eEE100E上式表明，在均勻電介質(zhì)充滿整個(gè)電場(chǎng)的上式表明，在均勻電介質(zhì)充滿整個(gè)電場(chǎng)的情況下，電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)情況下，電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)E為場(chǎng)強(qiáng)為場(chǎng)強(qiáng) 的的 倍倍 。e11兩極板間的電勢(shì)差兩極板間的電勢(shì)差)1(00edEdUSq0設(shè)極板的面積為設(shè)極板的面積為S,則極板上總的電荷量為則極板上總的電荷量為 極板間充滿均勻電介質(zhì)后的電容極板間充滿均勻電介質(zhì)后的電容為為dSUqCe)1 (00)1 (Ce即電容為兩極板間是真空時(shí)電容即電容為兩極板間是真空時(shí)電容 的的 倍。倍。0C)1 (esq0由式由式 得得 和和 有如下關(guān)系有如下關(guān)系0/CCrreer1電介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)減弱為外場(chǎng)的電介質(zhì)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)減弱為外場(chǎng)的 這一結(jié)論這一結(jié)論并不普遍成立，但是電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)減弱并不普遍成立，但是電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)減弱卻是比較普遍的。卻是比較普遍的。r/100)1 (er二、均勻電介質(zhì)球處于均勻外電場(chǎng)二、均勻電介質(zhì)球處于均勻外電場(chǎng)0E放入電介質(zhì)球前的均勻電場(chǎng)放入電介質(zhì)球前的均勻電場(chǎng)放入介質(zhì)球后球內(nèi)外空間合場(chǎng)強(qiáng)的分布放入介質(zhì)球后球內(nèi)外空間合場(chǎng)強(qiáng)的分布+E+E 介質(zhì)球內(nèi)的場(chǎng)介質(zhì)球內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)已經(jīng)在例題中求強(qiáng)已經(jīng)在例題中求