大學(xué)物理學(xué)電子教案---靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)與高斯定理

1、大學(xué)物理電子教案，靜電場(chǎng)電介質(zhì)1，93靜電場(chǎng)電介質(zhì)94高斯定理與電介質(zhì)電位移，重復(fù)，91靜電場(chǎng)導(dǎo)體靜電感應(yīng)靜電平衡條件電荷分布靜電平衡靜電屏蔽，92電容器電容器電容器與隔離導(dǎo)體并聯(lián)和串聯(lián)，9-3靜電場(chǎng)電介質(zhì)，所謂電介質(zhì)，是指非導(dǎo)電物質(zhì)，即絕緣體，里面沒(méi)有可移動(dòng)的電荷。如果將電介質(zhì)放入靜電場(chǎng)，電介質(zhì)原子中的電子和原子核在電場(chǎng)力的作用下會(huì)在原子范圍內(nèi)發(fā)生微觀相對(duì)位移。當(dāng)達(dá)到靜電平衡時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)不是零。在外電場(chǎng)中，電介質(zhì)受到電場(chǎng)的影響，它也影響外電場(chǎng)。1.電介質(zhì)對(duì)電容相對(duì)介電常數(shù)的影響：1.電介質(zhì)對(duì)電容器電容的影響。電容器充電后，移除電源以保持兩個(gè)極板上的電量恒定。填充有電介質(zhì)的電容器的兩個(gè)

2、極板之間的測(cè)量電壓U是真空電容器的兩個(gè)極板之間的電壓U0的1/er倍，即，U=U0/er。因此，充滿電介質(zhì)的電容器的電容是真空電容的1/2倍。2，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和介電常數(shù)，er被稱為相對(duì)介電常數(shù)er和真空介電常數(shù)e0的乘積，e=ere0被稱為介電常數(shù)，3，電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，在真空中，電介質(zhì)中任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是真空中原始電場(chǎng)強(qiáng)度的1/er，4，電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和擊穿電壓，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到某個(gè)最大場(chǎng)強(qiáng)Eb時(shí)，電介質(zhì)分子電離。電介質(zhì)能夠承受的最大場(chǎng)強(qiáng)Eb被稱為電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。這時(shí)，兩個(gè)極板之間的電壓稱為擊穿電壓Ub。Eb=Ub/d，非極性分子：分子的正負(fù)電荷中心重合，沒(méi)有固定的電偶極矩，如

3、H2、氯化氫、二氧化碳、N2、氧氣等。極性分子：沒(méi)有電場(chǎng)，分子的正負(fù)電荷中心不重合，但有固定的電偶極矩，如H2O、鹽酸等。1.電介質(zhì)的分類；2.電介質(zhì)的極化。每個(gè)分子的正電荷Q集中在一個(gè)點(diǎn)上，稱為正電荷的“重心”，負(fù)電荷Q集中在一個(gè)點(diǎn)上，稱為正負(fù)電荷的“重心”。分子形成電偶極子p=ql，2。非極性分子的極化機(jī)制使極化發(fā)生偏移，當(dāng)沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，分子的正負(fù)電荷中心重合；當(dāng)有外電場(chǎng)存在時(shí)，正負(fù)電荷會(huì)被電場(chǎng)力拉走，偏離原來(lái)的位置，形成電偶極子，稱為感應(yīng)電偶極矩。在外電場(chǎng)中，每個(gè)分子都有一定的感應(yīng)偶極矩，所以正負(fù)電荷出現(xiàn)在垂直于外電場(chǎng)的電介質(zhì)的兩個(gè)表面上。極化電荷或束縛電荷。3.極性分子的極化機(jī)制是定

4、向極化。當(dāng)沒(méi)有外部電場(chǎng)時(shí)，電偶極子的排列是混亂的，因此它不向外部顯示電。當(dāng)有外部電場(chǎng)時(shí)，每個(gè)電偶極子都會(huì)受到一個(gè)力矩的作用。在這個(gè)力矩的作用下，電介質(zhì)中的電偶極子將轉(zhuǎn)向外部電場(chǎng)的方向。極化電荷將在垂直于電場(chǎng)方向的兩個(gè)表面上產(chǎn)生。極化電荷在外部電場(chǎng)中，結(jié)合電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)極化。電暈現(xiàn)象在雨天或雨天，在高壓輸電線路附近經(jīng)常可以看到一種淺藍(lán)色的輝光放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為電暈現(xiàn)象。電暈現(xiàn)象可以用水分子的極化和尖端放電來(lái)解釋。3。偏振強(qiáng)度，1。引言，當(dāng)沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)沒(méi)有極化，內(nèi)部宏觀小體積元中每個(gè)分子的電偶極矩的矢量和為零；當(dāng)存在外部電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)被極化，并且在這個(gè)小體積單元中電偶極矩的矢量和

5、將不為零。文本越強(qiáng)3.極化強(qiáng)度的描述，用于表征電介質(zhì)極化程度的物理量；單位：C.m-2，與電荷面積密度單位相同；如果介質(zhì)的極化強(qiáng)度和方向相同，稱為均勻極化；否則，它被稱為非均勻極化。4。極化強(qiáng)度與極化電荷面密度的關(guān)系。以電介質(zhì)中長(zhǎng)度為d、面積為s的圓柱體為例，圓柱體兩個(gè)底面的極化電荷面密度是和的，所以圓柱體中所有分子電偶極矩的矢量和等于極化產(chǎn)生的極化電荷面密度。4.電介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度與極化電荷和自由電荷的關(guān)系；1.電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度；2.極化電荷和自由電荷之間的關(guān)系；3.電介質(zhì)極化定律。c被稱為電介質(zhì)的極化率，它是各向同性線性電介質(zhì)中的一個(gè)純數(shù)值。在高頻條件下，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)與外加電場(chǎng)的頻

6、率有關(guān)。電介質(zhì)電位移的9-4高斯定理，1。電介質(zhì)的高斯定理。假設(shè)極板上自由電荷的面密度為s0，介質(zhì)表面上極化電荷的面密度為S，這樣，在靜電場(chǎng)中，通過(guò)任意封閉曲面的電位移矢量和電位移通量等于該曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和，這就是電介質(zhì)的高斯定理。二是電位移矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，電位移矢量的解釋是輔助量，電場(chǎng)強(qiáng)度是基本量；描述電場(chǎng)性質(zhì)的物理量是電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)。在電介質(zhì)中，回路定理仍然成立，靜電場(chǎng)是保守場(chǎng)。它只與免費(fèi)相關(guān)。第三，在電介質(zhì)存在的情況下應(yīng)用高斯定理可以簡(jiǎn)化計(jì)算，因?yàn)橹恍枰紤]自由電荷。一般步驟是：首先由高斯定理計(jì)算出電位移矢量的分布，然后由電位移矢量的分布計(jì)算出電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，從而避免極化電荷帶來(lái)的麻煩。平板電容器填充有兩層厚度為d1和d2的電介質(zhì)，它們的相對(duì)介電常數(shù)為er1和er2，板的面積為s。(2)當(dāng)極板上自由電荷的面積密度為s0時(shí)，兩種介質(zhì)分解面上極化電荷的面積密度；(3)兩層介質(zhì)的電位移。解決方法：(1)假設(shè)兩種介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)分別為E1和E2，選擇上、下底面面積如圖所示為S的圓柱體為高斯面，上底面在導(dǎo)體中，下底面在介質(zhì)中，邊的法線垂直于場(chǎng)強(qiáng)，根據(jù)高斯定理，圓柱體中的自由電荷為： 所以電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度和兩個(gè)板之間的電勢(shì)差是電容，(2)界面處第一電介質(zhì)的極化電荷平面密度是