高二物理競賽課件：靜電場中的電介質(zhì)

1第七章靜止電荷的電場§7-8靜電場中的電介質(zhì)HClHClOHHHHHNHeHHHCHCH42電容器小結(jié)電容：平行板電容器電容：并聯(lián)：電壓相同，電量分配與電容成正比串聯(lián)：電量相同，電壓分配與電容成反比......ABC1C2Cnq-qq-qq-qU1U2Un3第七章靜止電荷的電場7.1物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)庫侖定律7.2靜電場電場強(qiáng)度7.3靜電場的高斯定理7.4靜電場的環(huán)路定理電勢7.5電場強(qiáng)度與電勢梯度的關(guān)系7.6靜電場中的導(dǎo)體7.7電容器的電容7.8靜電場中的電介質(zhì)7.9有電介質(zhì)時的高斯定理電位移7.10靜電場的能量*電介質(zhì)的電結(jié)構(gòu)*電介質(zhì)的極化電極化強(qiáng)度

電極化強(qiáng)度與極化電荷的關(guān)系

介質(zhì)中的靜電場*鐵電體壓電體永電體4電介質(zhì)導(dǎo)體與電場相互作用：電場可以改變導(dǎo)體上的電荷分布，產(chǎn)生感應(yīng)電荷；反過來，導(dǎo)體上的電荷又改變著電場的分布。電介質(zhì)：電阻率很大、導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)。主要特征：

分子中的電子和原子核的結(jié)合力很強(qiáng)，電子處于約束狀態(tài)。（理想的絕緣體：忽略電介質(zhì)的微弱的導(dǎo)電性。）電介質(zhì)-Q+Q-Q+Q靜電計靜電計實驗：相對介電常量（相對電容率）參考教材P298,表7-2電場強(qiáng)度減小到真空時的1/εr。（Why?）5電介質(zhì)極化的微觀機(jī)制電介質(zhì)分為：無極分子、有極分子。(1)無極分子的位移極化

(He、H2、CCl4)在沒有外電場時，整個分子沒有電矩(教材P256)。在外電場作用下，每一分子產(chǎn)生感生電矩：；對于均勻電介質(zhì)來說，其內(nèi)部仍是電中性的；而兩端帶電

(極化電荷：不能離開電介質(zhì)，也不能在電介質(zhì)內(nèi)部自由移動)。(2)有極分子的取向極化

(HCl、H2O)在沒有外電場時，每一分子有固有電矩，矢量和=0。在外電場作用下，每一分子的電矩矢量和≠0；電介質(zhì)兩端出現(xiàn)束縛電荷。二者微觀機(jī)制不同，但宏觀總效果一樣：中心為中性，表面有電荷.問題：任何電介質(zhì)都存在電子位移極化效應(yīng)？HClHPClHe思考題導(dǎo)體的靜電感應(yīng)與電介質(zhì)的極化現(xiàn)象區(qū)別？導(dǎo)體：自由電荷，內(nèi)部電場強(qiáng)度總為0；

電介質(zhì)：束縛電荷，內(nèi)部電場強(qiáng)度不為0.

電介質(zhì)極化后分為兩塊，

然后撤除外電場，問：每塊是否有凈電荷？不會。67電極化強(qiáng)度矢量P電極化強(qiáng)度矢量：單位體積內(nèi)電偶極矩矢量和。[庫侖/米2]

目的：定量地描述電介質(zhì)內(nèi)各處極化的情況。電極化強(qiáng)度與場強(qiáng)的關(guān)系由實驗，對各向同性電介質(zhì)，

當(dāng)電介質(zhì)中電場E不太強(qiáng)時，有:

：某個分子的電矩。對非極性分子：

：電極化率(polarizability)(≥0)，決定于電介質(zhì)性質(zhì)。8電極化強(qiáng)度(P)與極化電荷分布的關(guān)系電介質(zhì)極化后產(chǎn)生的一切宏觀效應(yīng)就是通過這些電荷來體現(xiàn)的.由電極化而越過dS面的總電荷：考慮電介質(zhì)體內(nèi)面元dS處的極化。以位移極化為例，設(shè)負(fù)電“重心”不動。

在電場作用下，dV=l分dScos

內(nèi)所有分子的正電荷“重心”將越過dS面。

若前述dS

面元剛好取在電介質(zhì)表面上，en

即電介質(zhì)的外法線方向，則：:電介質(zhì)表面外法線方向的單位矢量(方向：由電介質(zhì)體內(nèi)指向體外)極化電荷的面密度9例題7-27

由此可知，右半球面上左半球面上解：1)球面上任一點qPnSdx10例題7-27qPqdx解：2)在球面上取環(huán)帶

在球心處的場強(qiáng)dE‘半徑R

的介質(zhì)球被均勻極化，極化強(qiáng)度為P。求：2)極化面電荷在球心處所激發(fā)的場強(qiáng)。11練習(xí)求：沿軸均勻極化的電介質(zhì)圓棒上的極化電荷分布。已知電極化強(qiáng)度為P。nPn12電介質(zhì)對電場的影響演示實驗：將平行板電容器兩極板接在靜電計和地線之間，然后充電；靜電計指針有一定的偏轉(zhuǎn)：偏轉(zhuǎn)角大小反映電容器電勢差大小。撤掉充電電源后，將玻璃板插入電容器兩極板之間；靜電計指針偏轉(zhuǎn)角減少：電容增大。(Why?)若用導(dǎo)體板代替玻璃板插入電容器中；電容增大效果更大。(Why?)初步結(jié)論：電介質(zhì)引起電容增大的原因在于束縛電荷的極化。導(dǎo)體板引起電容增大的原因在于自由電荷的重新分布；13退極化場

14電介質(zhì)極化過程

15鐵電體、壓電體、永電體

16鐵電體、壓電體、永電體壓電體：某些離子型晶體的電介質(zhì)(石英)，由于結(jié)晶點陣的規(guī)則分布，當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時，產(chǎn)生電極化現(xiàn)象。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。壓電晶體還廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。

安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會把聲音的振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號隨著聲音的變化而變化。

安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音回蕩在空中。17鐵電體、壓電體、永電體(永磁鐵)永電體：有一類電介質(zhì)，在外界條件撤銷后，仍能長期保留其極化狀態(tài)，且其電極化狀態(tài)不受外電場的影響。100多年以前，法拉第就確信有這種物質(zhì)，不過當(dāng)時沒有找到。1919年，日本科學(xué)家制造出了第一塊永電體，

在博物館里放了45年后，經(jīng)測量，它帶的電荷量只減少了約1/5。把熔化了的蜂蠟、樹脂等不導(dǎo)電的物質(zhì)放在電容器（兩塊金屬板，中間用空氣隔離開，就構(gòu)成一個電容器）中，加上強(qiáng)