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,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第,8,章,静电场中的电介质,Electromagnetics,1,第,8,章 静电场中的电介质,教学要求：,1.,理解极化的概念和描写介质极化的宏观量 的物理意义,2.,掌握极化强度与极化电荷的关系以及电位移矢量与极化强度、电场强度三者的关系,3.,掌握有电介质时的高斯定理 ，以及通过对称性分析，用高斯定理 求 与 的方法,4.,掌握电介质中电场能的表达式,教学重点：,1.,极化强度与极化电荷的关系,2.,极化强度与电场强度的关系,3.,介质中的高斯定理,2,8-1,概述,可将第一章中的静电场的基本规律应用到介质内部。,物理量,场强、电势、电荷密度等,涉及到,微观值和宏观值,。,微观值,在介质中各微观点的值,急剧变化,。,宏观值,实验测得的平均效果，即微观值在,物理无限小体积中的平均值。,物理无限小,宏观看来足够小，微观看来足够,大,包含大量分子或原子,。,3,8.2,偶极子,不变,介质表面出现与极板异号电荷,4,1.,气态、液态、非晶固态：中性分子,电介质结构,电介质,（,dielectric,）,：电阻率很大,导电性能很差的物质,可看作理想的绝缘体，无自由电荷。,2.,晶体：中性晶胞,5,气态、液态、非晶固态：中性分子,电介质结构,晶体：中性晶胞,6,电偶极矩（电矩）,(,方向由负电荷指向正电荷,),8.2.1,电介质分子与电偶极子,7,电偶极子中垂线上任一点及延长线上任一点的电场强度。,8.2.3,电偶极子激发的静电场,解：,r,电偶极矩（电矩）,+,+,8,用矢量形式表示为：,若,r,l,电场强度的计算,9,解,(2),10,电偶极子电场中任一点的电势。,式中,r,+,与,r,-,分别为,+,q,和,-,q,到,P,点的距离，由图可知,y,P,x,+q,-,q,l,/2,l,/2,O,r+,r,-,r,解 ：,设电偶极子如图放置，电偶极子的电场中任一点,P,的电势为,电势的计算例题,11,由于,r,r,e,，所以,P,点的电势可写为,因此,电势的计算例题,12,电偶极子在均匀外场中所受力矩的作用,解：如图所示，设在均匀外电场中，电偶极子的电矩的方向与场强方向间的夹角为,，作用在电偶极子正负电荷上的力的大小均为,带电粒子在静电场中的运动,8.2.2,电偶极子在外电场中所受力矩,13,写成矢量式为,和 的大小相等，方向相反，所以电偶极子所受的合力为零，电偶极子不会产生平动，但由于 和 不在同一直线上，所以电偶极子要受到力偶矩的大小为,带电粒子在静电场中的运动,14,偶极子的主动、被动行为都取决于：,带电粒子在静电场中的运动,讨论：,+,15,电介质的极化,+,+,+,+,-,-,+,+,+,-,-,-,+,+,+,-,8-3,电介质及其极化,16,8.3.1.,电介质的极化,（,Polarization,）,（,1,）无极分子的位移极化,(,Displacement polarization),电介质的极化,极化,:,在外电场作用下,在电介质出现宏观电荷的现象,极化电荷,(,Polarization charge or bound charge,):,由于极化而产生的宏观电荷,（,2,）有极分子的取向极化,(,Orientation polarization,),17,+,-,-,-,+,H,e,-,+,+,O,H,+,H,+,+,H,2,O,1,）,无极分子,-,正负电荷作用中心重合的分子。,如,H,2,、,N,2,、,O,2,、,CO,2,-,+,-,H,e,H,+,+,+,-,+,+,H,+,H,+,C,H,+,CH,4,（甲烷）,+,+,-,1.,有极分子和无极分子电介质,18,-,+,+,O,H,+,H,+,+,H,2,O,2,）,有极分子,-,正负电荷作用中心不重合的分子。,如,H,2,O,、,CO,、,SO,2,、,NH,3,.,+,-,H,+,+,+,-,+,H,+,H,+,N,NH,3,（氨）,+,-,有极分子对外影响等效为一个电偶极子，电矩,+,-,19,注：,有极分子,（,Polar molecule,）,：每个分子的正负电荷“中心”在没有外场时不重合。,负电荷中心,正电荷中心,无极分子,（,Nonpolar molecule,）,：,每个分子的正负电荷 “中心”在没有外场时彼此重合。,+,+,H,+,H,O,如：,H2O,SO2,NH3,H2S,如：,H2,N2,CO2,CH4,CCl4,20,（,1,）无极分子的位移极化,(,Displacement polarization),加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电荷中心不再重合，发生了相对位移,出现分子电矩。,电介质的极化,8.3.1.,电介质的极化,（,Polarization,）,21,无极分子的位移极化,+,-,-,-,+,H,e,+-,+,-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,均匀介质,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,非均匀介质,+-,+-,+-,+-,+-,-q,q,22,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,c,）外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害（由实验结果，位移极化时正负电荷中心位移仅有原子线度的十万分之一，故位移极化总的看是很弱的）。,a,）位移极化是分子的等效正负电荷作用中心在电 场作用下发生位移的现象。,b,）均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷，而非均匀介质极化时，介质的表面及内部均可出现极化电荷。,结论：,23,无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。,（,2,）有极分子的取向极化,(,Orientation polarization,),电介质的极化,在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。,24,沈,辉,奇,制,作,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,有极分子的转向（取向）极化,无,外,场,有,外,场,出现极化电荷,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,非均匀介质,25,结论：,a,）转向极化主要是由于分子电矩在外场作用下转向趋近于与外场一致所致。（此时虽有位移极化，但产生的电矩远远小于由转向极化所产生的电矩，只有转向极化的万分之一）。,b,）外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和也越大。,综述：,1,）不管是位移极化还是取向极化，其最后的,宏观效果都是产生了极化电荷。,2,）两种极化都是外场越强，极化越厉害，,所产生的分子电矩的矢量和也越大。,26,定义：介质中某一点电极化强度矢量等于这一点处单位体积的分子电矩的矢量和。,8.3.2.,电极化强度,（,Polarization,）,描述介质在电场中各点的极化状态（极化程度和方向）,单位：,注意,:,介质极化也有均匀极化与非均匀极化之分。,宏观无限小,微观无限大,-,-,-,-,-,+,+,+,+,27,8.3.3.,极化强度与场强关系,沈,辉,奇,制,作,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,有极分子极化为例：,无,外,场,有,外,场,出现极化电荷,q,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,产生附加场强,E,28,c,b,a,退极化场：,总是起着减弱总场 的作用，即起着减弱极化的作用，故称为,退极化场。,29,退极化场,E,附加场,E,：,在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱,在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强,30,实验表明：,注：（大多数气、液态电介质在外场不太强时都视为各向同性线性电介质）,极化率,极化率与相对介电常数的关系：,电极化强度矢量,各向同性的电介质有：,各向同性的线性电介质有：,均匀电介质有：,31,极化有何规律？,三者从不同角度定量地描绘同一物理现象,极化，,之间必有联系，这些关系,电介质极化遵循的规律,极化的后果：,影响,32,
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