靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)課件

2.2電介質(zhì)的極化第二章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)一、電介質(zhì)的分子二、電介質(zhì)的極化2.1電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響1.3電容和電容器一、電容二、電容器1平行板電容器2球形電容器3圓柱形電容器三、電介質(zhì)對(duì)電容的影響、耐壓?jiǎn)栴}作業(yè)：2-11、2-14，2-17§2靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)2.3電極化強(qiáng)度和極化電荷的關(guān)系11.3電容器和電容一、電容定義：升高單位電壓所需的電量為該導(dǎo)體的電容。單位：[庫(kù)侖/伏特]稱作法拉或記為[C/V]。孤立導(dǎo)體的電容與導(dǎo)體的形狀有關(guān)，與其帶電量和電位無(wú)關(guān)。水容器的容量孤立導(dǎo)體是指附近無(wú)其它帶電體或?qū)w。若有，也足夠遠(yuǎn)，忽略影響微法微微法2二、電容器的電容：1平行板電容器平行板電容器間無(wú)電介質(zhì)時(shí)：若兩個(gè)導(dǎo)體分別帶有等量異號(hào)的電荷q，周圍沒有其它導(dǎo)體帶電；其間電位差UAB，它們組成電容器的電容：通常采用靜電屏蔽或使場(chǎng)集中從而不受外界干擾。3特別是當(dāng)這就是孤立導(dǎo)體球的電容。53

圓柱形電容器（同軸電纜）兩個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)

的圓柱體，圓柱面上帶有等量異號(hào)的電荷，其間距離R2R1<<L，線電荷密度為。解:6三、電介質(zhì)對(duì)電容的影響、耐壓?jiǎn)栴}實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)電容器充滿某種均勻介質(zhì)時(shí)，電容器的電容將增大。如果真空中電容器用C0表示，充滿介質(zhì)后電容用C表示，實(shí)驗(yàn)表明其比值叫做電介質(zhì)的相對(duì)電容率，是個(gè)純數(shù)，它只與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。平行板電容器間有電介質(zhì)時(shí)，它的電容變?yōu)椋航凶鲭娊橘|(zhì)的電容率或稱為介電常量。7四、電容器的串聯(lián)和并聯(lián)并聯(lián)電容器的電容等效令9?串聯(lián)電容器的電容等效令10并聯(lián)電容器的電容等于各個(gè)電容器電容的和。串聯(lián)電容器總電容的倒數(shù)等于各串聯(lián)電容倒數(shù)之和。當(dāng)電容器的耐壓能力不被滿足時(shí)，常用串并聯(lián)使用來(lái)改善。如串聯(lián)使用可用在稍高的電壓中，從而提高耐壓能力。并聯(lián)使用可以提高容量。電介質(zhì)的絕緣性能遭到破壞，稱為擊穿(breakdown)，有介質(zhì)后電容增大所能承受的不被擊穿的最大場(chǎng)強(qiáng)叫做擊穿場(chǎng)強(qiáng)

(breakdownfieldstrength)，或介電強(qiáng)度

(dielectricstrength)。112.1電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響電介質(zhì)在外電場(chǎng)中電介質(zhì)要受到電場(chǎng)的影響，同時(shí)也影響外電場(chǎng)。本章只限于討論各向同性的均勻的電介質(zhì)。是由大量電中性的分子組成的絕緣體。緊束縛的正負(fù)電荷在外場(chǎng)中要發(fā)生變化。以平行板電容器有電介質(zhì)與無(wú)電介質(zhì)時(shí)，極板上電壓的變化為例說(shuō)明.13插入電介質(zhì)前后兩極板間的電壓分別用U0、U表示，它們的關(guān)系：+Q–Q+Q–Q靜電計(jì)測(cè)電壓是一個(gè)大于1

的常數(shù)，其大小隨電介質(zhì)的種類和狀態(tài)的不同而不同，是電介質(zhì)的特征常數(shù)稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)空氣的相對(duì)介電常數(shù)1.00059(0oC，1atm）14上述實(shí)驗(yàn)表明：插入電介質(zhì)后兩極板間電壓減少，說(shuō)明其間電場(chǎng)減弱了。電容增大了。電場(chǎng)減弱的原因可用電介質(zhì)與外電場(chǎng)的相互影響，從微觀結(jié)構(gòu)上來(lái)解釋。15①無(wú)極分子（Nonpolarmolecule）在無(wú)外場(chǎng)作用下整個(gè)分子無(wú)電矩。例如，CO2,H2,N2,

O2,

He②有極分子（Polarmolecule）在無(wú)外場(chǎng)作用下存在固有電矩例如，H2O,HCl,CO,SO2

因無(wú)序排列對(duì)外不呈現(xiàn)電性。一、電介質(zhì)的分子電子云的正電中心17位移極化取向極化①位移極化

Displacementpolarization

主要是電子發(fā)生位移二、電介質(zhì)的極化：Polarization②取向極化Orientationpolarization

由于熱運(yùn)動(dòng)這種取向只能是部分的，遵守統(tǒng)計(jì)規(guī)律。18l在外電場(chǎng)中的電介質(zhì)分子無(wú)極分子只有位移極化，感生電矩的方向沿外場(chǎng)方向。無(wú)外場(chǎng)下，所具有的電偶極矩稱為固有電偶極矩。在外電場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩。有極分子有上述兩種極化機(jī)制,取向極化是主要的,較位移極化約大一個(gè)數(shù)量級(jí)；而在高頻下只有位移極化。192.3電極化強(qiáng)度（Polarization）和極化電荷的關(guān)系在宏觀上測(cè)量到的是大量分子電偶極矩的統(tǒng)計(jì)平均值。為了描述電介質(zhì)在外場(chǎng)中的行為引入一個(gè)物理量：其中是第i個(gè)分子的電偶極矩單位是[庫(kù)侖/米2]、[C/m2].一、電極化強(qiáng)度矢量以下將電極化強(qiáng)度矢量簡(jiǎn)稱為極化強(qiáng)度.束縛電荷就是指極化電荷.21二、極化（束縛）電荷與極化強(qiáng)度的關(guān)系可證明對(duì)于均勻電介質(zhì)，極化電荷集中在它的表面。電介質(zhì)產(chǎn)生的一切宏觀效果都是通過未抵消的束縛電荷來(lái)體現(xiàn)。在介質(zhì)中引入極化強(qiáng)度力線來(lái)描述它在外場(chǎng)中的極化。沿著此曲線取一長(zhǎng)度為dl在其內(nèi)部極化可視為是均勻的.與垂直于此曲線的橫截面dS組成一個(gè)小圓柱體，因而該體元具有電偶極矩，根據(jù)定義它可視為兩端具有電荷的偶極矩22如果在電介質(zhì)內(nèi)任選一面的法線與成角則表明：任選一面上束縛電荷面密度等于極化強(qiáng)度矢量在該面法線方向上的分量從另一方面看23在任一曲面內(nèi)極化電荷的負(fù)值等于極化強(qiáng)度的通量。25●退極化場(chǎng)電介質(zhì)在外場(chǎng)中的性質(zhì)相當(dāng)于在真空中有適當(dāng)?shù)氖`電荷體密度分布在其內(nèi)部。因此可用和的分布來(lái)代替電介質(zhì)產(chǎn)生的電場(chǎng)。在外電場(chǎng)中，介質(zhì)極化產(chǎn)生的束縛電荷，在其周圍無(wú)論介質(zhì)內(nèi)部還是外部都產(chǎn)生附加電場(chǎng)稱為退極化場(chǎng)。任一點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)為：+Q–Q退極化場(chǎng)26第二章靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體和電介質(zhì)2.1電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響1.3電容和電容器一、電容二