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文檔簡介
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第10章靜電場中的電介質(zhì)
DielectricsinElectrostaticField主要內(nèi)容電介質(zhì)對電場的影響電介質(zhì)及其極化的高斯定律電容器與電容電容器的能量210.1電介質(zhì)對電場的影響
DielectricsinfectiontoElectrostaticField電介質(zhì)——絕緣體(無自由電荷)放入電介質(zhì)后相對電容率(相對介電常量)電容率(介電常量)310.2電介質(zhì)及其極化
Dielectricsandpolarization(外電場)一、介質(zhì)的極化(polarization)——在外電場作用下,介質(zhì)表面感生出束縛(極化)電荷的現(xiàn)象.+++---端面——“束縛電荷”或“極化電荷”。41.電介質(zhì)的微觀圖像非極性分子:正、負電荷中心重合(氫、甲烷、石蠟等)極性分子:正、負電荷中心不重合(水、有機玻璃等)
每一個分子中的正電荷集中于一點,稱為正電荷重心;負電荷集中于另一點,稱為負電荷重心——構(gòu)成電偶極子.分子的電矩:CH4分子H2O分子5無外場時:極性分子非極性分子有外電場時①極性分子取向極化——分子固有電矩在電場作用下沿外電場方向取向6極化的效果:端面出現(xiàn)束縛電荷(外電場)+++---②無極分子位移極化+-(外電場)+++---7極化的效果:端面出現(xiàn)束縛電荷位移極化和轉(zhuǎn)向極化微觀機制不同,宏觀效果相同。2.電極化強度(Polarizationintensity)——表示電介質(zhì)極化程度
電極化強度:單位體積內(nèi)的分子電矩的矢量和的SI單位:C/m2
8對非極性電介質(zhì):單位體積內(nèi)的分子數(shù)實驗表明:對于各向同性電介質(zhì),有該點的總場強——稱介質(zhì)的極化率由介質(zhì)的性質(zhì)決定,與
無關(guān)。在各向同性均勻介質(zhì)中為常數(shù)。93.介質(zhì)的擊穿(dielectricbreakdown)——外電場很強時,大量分子離解,介質(zhì)變成導(dǎo)體.介電強度(擊穿場強):電介質(zhì)所能承受的最大場強介質(zhì)介電強度(106V/m)空氣3礦物油15瓷620玻璃1025聚乙烯5010二、介質(zhì)表面的束縛電荷++++以非極性電介質(zhì)為例:表面dS的束縛電荷:dS由極化面電荷密度為極化強度外法線的分量此結(jié)果也適用于極性電介質(zhì)11三、封閉介質(zhì)面S內(nèi)的束縛電荷介質(zhì)SQ′內(nèi)dS
在介質(zhì)內(nèi)作一封閉曲面
S因為電介質(zhì)為電中性,由電荷守恒定律:1210.3的高斯定律
Gauss’slawfor
一、電介質(zhì)中的電場總場外場+束縛電荷的電場+++---自由電荷:金屬導(dǎo)體所帶的電荷
由自由電荷和束縛電荷共同產(chǎn)生13對閉曲面S,有導(dǎo)體電介質(zhì)閉曲面S二、的高斯定律引入電位移矢量14
又稱為“有電介質(zhì)時的高斯定律”,但也適用于沒有電介質(zhì)的情形,且對任何電場都成立.——的高斯定律(1)對于各向同性介質(zhì),在通常的場強下,有說明:15C/m2(同
)——介質(zhì)的相對介電常量
(相對電容率)——介質(zhì)的介電常量
(電容率)其中⑵電位移線定義類似于電場線:①切線方向即電位移方向;②穿過單位截面積的電位移線數(shù)目即電位移大?。?/p>
的SI單位:16性質(zhì):①連續(xù);(不會在沒有自由電荷處中斷)②不閉合;(起于正自由電荷或無窮遠處,止于負自由電荷或無窮遠處)③不相交.(電場單值性)+-e.g.在介質(zhì)的分界面處,
線連續(xù),而線不連續(xù).17三、定律的應(yīng)用自由電荷及介質(zhì)分布的對稱性很高(球、圓柱、平面等)時,由定律
[例10-1]R一半徑R、帶正電荷Q的金屬球,浸于一個大油箱中,油的相對介電常量為r.求球外的場強分布及貼近金屬球表面的油面上總的束縛電荷q′.18Rr解:作半徑為r的同心球形高斯面S,⑴由對稱性分析:S由高斯定律:于是19介質(zhì)中場強是真空中的1/r(高對稱性).⑵由油層貼近金屬球的內(nèi)表面Rqq'r于是20Rqq'r⑵的解法2:由于q′在貼近金屬球面的介質(zhì)表面分布均勻,它在貼近球面處r的場強為自由電荷在r處的場強為由
得到21[例10-2]兩塊靠近的平行金屬板間原為真空。使它們分別帶上等量異號電荷面密度分別為+0和-0,板間電壓U0=300V。現(xiàn)將一半空間充以相對介電常量r=5的電介質(zhì),求板間電壓及介質(zhì)上下表面的束縛電荷密度。+++++解:設(shè)金屬板面積為S,板間距為d,則未充介質(zhì)之前充介質(zhì)后,如圖做封閉柱面為高斯曲面-
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++++++
++++++++
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s+1++++
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-1-'1+'1-2+2++++
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22從而同理,對右半部而由于靜電平衡,左右兩部分板間電壓相同由金屬板上總電量保持不變,有++++++++
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s+1++++
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-1-'1+'1-2+2++++
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23可得:這時可得:對電介質(zhì)上下表面2410.4電容器和它的電容(CapacitorsandCapacitance)一、電容器的電容電容器:一對靠得非常近的導(dǎo)體每一極板上的電荷量兩板間的電勢差A(yù)BC——導(dǎo)體儲電和能量的能力;僅與導(dǎo)體的大小和幾何形狀有關(guān)。25C的單位:法拉(庫侖/伏)F1F=106μF=1012pF1F是很大的,例如將地球作為一孤立導(dǎo)體球,地球R=6.4×106m,C=0.71×10-3FR261.平行板電容器S的線度>>d,視為兩塊無限大導(dǎo)體板。ABSd+++++-----+-VAVBd二、典型電容器的電容設(shè)電容器兩板帶電分別為+Q、-Q,板間充滿相對介電常量為r的電介質(zhì)27++++++++++++------------R2R1Lr2.圓柱形電容器由兩個同軸的金屬圓柱筒(面)組成半徑分別為R1
、R2,且L>>(R2
-R1),——可視為無限長。設(shè)想其帶有電量Q,充電后,相對兩面帶有等量異號電荷+Q、-Q.-.o.R2R1r++++++++-------Pr兩金屬板間28單位長度電容為-.o.R2R1r++++++++-------P293.球形電容器電場集中在兩導(dǎo)體球面之間R1R2Or30三、電容器的串聯(lián)和并聯(lián)1.電容器串聯(lián)UU1C1UnCnU2C2+q-q-q+q特點:C1、C2電量相等,總電勢差U1+U2C+Q-QU1+U2等效于312.電容器并聯(lián)Uq1C1qnCnq2C2C+(Q1+Q2)-(Q1+Q2)U等效于特點:C1、C2上電勢差相等,總電量Q1+Q23210.5電容器的能量
EnergyofCapacitors1.帶電電容器的能量充電:電源做的功電容器上電荷系能量;放電:該能量電場力做功閃光燈:e.g.CBKab33電容器帶電Q,電壓為U,求放電過程電場力做功t—t+t+q-q-dqCB+Q-Qt=0C34因此,放電前電容器所具有的能量:2.靜電場的能量場的觀點:電容器的能量儲存于電場中.以平行板電容器為例:35電場的能量密度(單位體積中具有的能量):——對任何電場都成立一般情況下電場的能量:36[例10-3]一球形電容器,帶電量為Q,內(nèi)外球的半徑分別為R1和R2,兩球間充滿相對介電常量為r的電
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