導(dǎo)體和介質(zhì)PPT精品文檔

1、 分子中的正負(fù)電荷束縛得很緊，介質(zhì)內(nèi)部分子中的正負(fù)電荷束縛得很緊，介質(zhì)內(nèi)部幾乎沒有自由電荷。幾乎沒有自由電荷。電介質(zhì)：電介質(zhì)：電阻率很大，導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)，即絕緣體。電阻率很大，導(dǎo)電能力很差的物質(zhì)，即絕緣體。（常溫下電阻率大于（常溫下電阻率大于107 m） 9-2-1 電介質(zhì)的極化 兩大類電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)：分子的正、負(fù)電荷中心在無外場(chǎng)時(shí)分子的正、負(fù)電荷中心在無外場(chǎng)時(shí)重合，不存在固有分子電偶極矩。重合，不存在固有分子電偶極矩。1. 1. 無極分子：無極分子：CH4H2OHHO分子的正、負(fù)電荷中心在無外場(chǎng)時(shí)分子的正、負(fù)電荷中心在無外場(chǎng)時(shí)不重合，分子存在固有電偶極矩。不重合，分子存在固有電偶極矩。2

2、. 2. 有極分子：有極分子：OHOH電偶極子電偶極子1.1.無極分子的位移極化無極分子的位移極化 在外電場(chǎng)的作在外電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)表面產(chǎn)用下，介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為生電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化。 由于極化，在介由于極化，在介質(zhì)表面產(chǎn)生的電荷稱質(zhì)表面產(chǎn)生的電荷稱為為極化電荷極化電荷或稱或稱束縛束縛電荷電荷。pFFE2.2.有極分子的轉(zhuǎn)向極化有極分子的轉(zhuǎn)向極化 無極分子在外場(chǎng)的作用無極分子在外場(chǎng)的作用下由于正負(fù)電荷發(fā)生偏移而下由于正負(fù)電荷發(fā)生偏移而產(chǎn)生的極化稱為產(chǎn)生的極化稱為位移極化位移極化。 有極分子在外場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)有極分子在外場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的極化稱為而產(chǎn)生的極化稱為轉(zhuǎn)向

3、極化轉(zhuǎn)向極化。0E-p0EFF0EEE外電場(chǎng)：外電場(chǎng)：0E極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)：極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)：E介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)：介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)：EEEE0擊穿：擊穿：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下電介質(zhì)變成導(dǎo)體的現(xiàn)象。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下電介質(zhì)變成導(dǎo)體的現(xiàn)象。空氣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為：空氣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為： 1mmKV3礦物油的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為：礦物油的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為： 1mmKV15云母的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為：云母的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為： 1mmKV20080電極化強(qiáng)度電極化強(qiáng)度 是反映介質(zhì)極化程度的物理量。是反映介質(zhì)極化程度的物理量。P 0p沒極化：沒極化： 0p極化時(shí)：極化時(shí)：0E電極化強(qiáng)度定義：電極化強(qiáng)度定義：VpPi實(shí)驗(yàn)表明：

4、實(shí)驗(yàn)表明： 對(duì)于各向同性的均勻電介質(zhì)，其中任對(duì)于各向同性的均勻電介質(zhì)，其中任一點(diǎn)處的電極化強(qiáng)度與該點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)成正比。一點(diǎn)處的電極化強(qiáng)度與該點(diǎn)的總場(chǎng)強(qiáng)成正比。EP0e e ：介質(zhì)的：介質(zhì)的極化率極化率極化率極化率 e與電場(chǎng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度E無關(guān)，取決于電介質(zhì)的種類。無關(guān)，取決于電介質(zhì)的種類。9-3-1 孤立導(dǎo)體的電容5mL05mL導(dǎo)體具有儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)導(dǎo)體具有儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng) 電容：電容：孤立導(dǎo)體所帶電荷量孤立導(dǎo)體所帶電荷量q與其電勢(shì)與其電勢(shì)V 的比值。的比值。單位：?jiǎn)挝唬悍ɡɡ‵= CV-1 ）pF10F10F1126VqC 孤立導(dǎo)體球孤立導(dǎo)體球RqV041孤立導(dǎo)體球的電容為：孤立導(dǎo)體球的電容

5、為：電勢(shì)：電勢(shì)：RRqqVqC00441 孤立導(dǎo)體的電容僅取決于導(dǎo)體的幾何形狀和大孤立導(dǎo)體的電容僅取決于導(dǎo)體的幾何形狀和大小，與導(dǎo)體是否帶電無關(guān)。小，與導(dǎo)體是否帶電無關(guān)。 地球的電容：地球的電容：F104 . 61085. 8446120RCF1011. 74電容器：電容器： 一種儲(chǔ)存電能的元件。一種儲(chǔ)存電能的元件。由電介質(zhì)隔開的兩塊任意形由電介質(zhì)隔開的兩塊任意形狀導(dǎo)體組合而成。兩導(dǎo)體稱狀導(dǎo)體組合而成。兩導(dǎo)體稱為電容器的極板為電容器的極板。電容器的符號(hào)：電容器的符號(hào)：電容器電容：電容器電容：極板電荷量極板電荷量q與極板間電勢(shì)差與極板間電勢(shì)差VAB之比值。之比值。ABVqC 電容器的計(jì)算電容器的

6、計(jì)算1.1.平板電容器平板電容器dCSC1d+-BA-q+qESr0ESqddEdVr0r0AB電容：電容：dSVqCr0ABr：相對(duì)電容率：相對(duì)電容率2. 2. 球形電容器球形電容器 204rqERARBBAr02r0AB114d4BARRqrrqVRRABBAr0AB4RRRRVqCABRR 當(dāng)當(dāng)Ar04RC（孤立導(dǎo)體球的電容）（孤立導(dǎo)體球的電容） dSdRCr02Ar04AABRdRR當(dāng)當(dāng)RARB3. 3. 圓柱形電容器圓柱形電容器由高斯定理計(jì)算得：由高斯定理計(jì)算得：lrrlqrE122r0r0BAd2r0ABRRrrlqVABr0ln2RRlqABr0ABln2RRlVqC圓柱形電容器

7、電容：圓柱形電容器電容：設(shè)極板間距為設(shè)極板間距為d， RB = RA +d當(dāng)d RA時(shí)AAAAAB1lnlnlnRdRdRdRRRdlRCAr02dSr0（ ）A2 lRS計(jì)算電容器電容的步驟：計(jì)算電容器電容的步驟：1. 計(jì)算極板間的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算極板間的場(chǎng)強(qiáng)EBAdlEV2. 計(jì)算極板間的電勢(shì)差計(jì)算極板間的電勢(shì)差3. 由電容器電容定義計(jì)算由電容器電容定義計(jì)算CVqCqCCCVVVVnn1112121AB1.1.電容器的串聯(lián)電容器的串聯(lián)C1C2CnVAB設(shè)各電容器帶電量為設(shè)各電容器帶電量為q串聯(lián)電容器的等效電容的倒數(shù)等于各電容串聯(lián)電容器的等效電容的倒數(shù)等于各電容的倒數(shù)之和。的倒數(shù)之和。結(jié)論：結(jié)論：,

8、11CqV ,22CqV 等效電容：等效電容：C1nCCC11121CqVAB2. 電容器的并聯(lián)電容器的并聯(lián)C1C2C3VAB總電荷量總電荷量 ：AB2121VCCCqqqqnn等效電容：等效電容：nCCCVqC21AB并聯(lián)電容器的等效電容等于各電容器電容之和。并聯(lián)電容器的等效電容等于各電容器電容之和。結(jié)論：結(jié)論：,AB11VCq ,AB22VCq 例例3 3 自由電荷面密度為自由電荷面密度為 0 0的平行板電容器，其電的平行板電容器，其電容量為多少？極化電荷面密度為多少？容量為多少？極化電荷面密度為多少？解：解： 由介質(zhì)中的高斯定理由介質(zhì)中的高斯定理SSD00Dr00r0DEr00dEdVA

9、BdSr0AB0VSC00D000E0EEEE0000r000r11000EE d1d2r2r1例例4 4 一平行板電容器，中間有兩層厚度分別為一平行板電容器，中間有兩層厚度分別為d1和和d2的電介質(zhì)，它們的相對(duì)介電常數(shù)分別為的電介質(zhì)，它們的相對(duì)介電常數(shù)分別為 r1r1和和 r2r2，極板面積為極板面積為S。求電容。求電容。解：解：0D1r001E2r002E1211dEdEVVSC02r21r100dd2r21r10ddS例例5 5 一平行板電容器充以兩種不同的介質(zhì)，每種一平行板電容器充以兩種不同的介質(zhì)，每種介質(zhì)各占一半體積。求其電容。介質(zhì)各占一半體積。求其電容。dS1r2r解：解：dSC2

10、1r01dSC22r0221CCC2r1r02dS例例9 球形電容器由半徑為球形電容器由半徑為R1的導(dǎo)體球和內(nèi)半徑為的導(dǎo)體球和內(nèi)半徑為R3的的導(dǎo)體球殼構(gòu)成，其間有兩層均勻電介質(zhì)，分界面的半導(dǎo)體球殼構(gòu)成，其間有兩層均勻電介質(zhì)，分界面的半徑為徑為R2，相對(duì)介電常數(shù)分別為，相對(duì)介電常數(shù)分別為 r1和和 r2 。求電容。求電容。R1R2R3r1r2解：解：qDrSDS24d24 rqD r0DE 21r014rqE22r024rqE322122r021r04d4dRRRRrrqrrqV3213r2r1r2311r1232r4RRRRRRRRRq2311r1232r3212r1r04RRRRRRRRRV

11、qC9-4-1 點(diǎn)電荷系的電能abr功：功：rqqW21041靜電能：靜電能： 22102e41VqrqqWW11201e41VqrqqW2211e21VqVqW兩個(gè)點(diǎn)電荷的相互作用能：兩個(gè)點(diǎn)電荷的相互作用能： 或或點(diǎn)電荷系統(tǒng)的相互作用能：點(diǎn)電荷系統(tǒng)的相互作用能： niiiVqW1e21式中式中Vi 表示除第表示除第 i 個(gè)點(diǎn)電荷以外的所有其他點(diǎn)電荷個(gè)點(diǎn)電荷以外的所有其他點(diǎn)電荷的電場(chǎng)在的電場(chǎng)在 qi所在處的總電勢(shì)。所在處的總電勢(shì)。 連續(xù)分布帶電體的電能：連續(xù)分布帶電體的電能：qqVWd21eqqCqVWd1ddAB-q+qVAB+dqQCQqqCW0221d1ABCVQ 因?yàn)橐驗(yàn)樗运訟B2

12、AB2e212121QVCVCQW9-4-3 電場(chǎng)的能量 電能儲(chǔ)存在（定域在）電場(chǎng)中電能儲(chǔ)存在（定域在）電場(chǎng)中dSCSdEW2e21電容器體積：電容器體積：V = Sd2ABe21CVW EdVAB以平板電容器為例：以平板電容器為例：電場(chǎng)的能量密度：電場(chǎng)的能量密度：?jiǎn)挝惑w積電場(chǎng)所具有的能量單位體積電場(chǎng)所具有的能量2e21Ew結(jié)論：結(jié)論：電場(chǎng)的能量密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比電場(chǎng)的能量密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比 電場(chǎng)能的計(jì)算式：電場(chǎng)能的計(jì)算式：VWdeew注意：注意：對(duì)于任意電場(chǎng)，上式普遍適用。對(duì)于任意電場(chǎng)，上式普遍適用。例例7 真空中一半徑為真空中一半徑為a，帶電荷量為，帶電荷量為Q 的均勻球體

13、的的均勻球體的靜電場(chǎng)能。靜電場(chǎng)能。0332134344raQrE球內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)：球內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)：3014aQrEaQ球外場(chǎng)強(qiáng)：球外場(chǎng)強(qiáng)：2024rQEaarrErEVdd21343aQ3202030384d4darQQrrQarQrVaarrraraQaQVVWad4383421d21203203erararaQad31630322302aQW02e203aQ解法二：aaVEVEVWd21d21d2200210eewaarrrQrrrQd4421d442122200220200aQaQaQ020202203840例例8 空氣平行板電容器，面積為空氣平行板電容器，面積為S，間距為，間距為d。現(xiàn)在?，F(xiàn)在把一塊厚度為把一塊厚度為t的銅板插入其中。（的銅板插入其中。（1）計(jì)算電容器）計(jì)算電容器的電容改變量；（的電容改變量；（2）電容器充電后斷開電源，再抽）電容器充電后斷開電源，再抽出銅板需做多少功？出銅板需做多少功？插入前：插入前：dSC00插入后：插入后：tdV0tdSVSC0StQCQCQWWA022020222)(0td