静电场中的电介质(6).ppt
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1、 第第10章章 静电场中的电介质静电场中的电介质 Dielectrics in Electrostatic Field主要内容主要内容 电介质对电场的影响电介质对电场的影响 电介质及其极化电介质及其极化 的高斯定律的高斯定律 电容器与电容电容器与电容 电容器的能量电容器的能量1编辑编辑ppt 10.1 电介质对电场的影响电介质对电场的影响 Dielectrics infection to Electrostatic Field电介质电介质绝缘体绝缘体(无自由电荷无自由电荷)放入电介质后放入电介质后相对介电常量(相对介电常量(相对相对电容率)电容率)介电常量介电常量(电容率电容率)2编辑编辑pp
2、t 10.2 电介质及其极化电介质及其极化 Dielectrics and polarization(外电场外电场)一、介质的极化一、介质的极化(polarization)在外电场作用下,介质表面感生出束在外电场作用下,介质表面感生出束缚缚(极化极化)电荷的现象电荷的现象+-端端面面“束束缚缚电电荷荷”或或“极化电荷极化电荷”。3编辑编辑ppt1.1.电介质的微观图像电介质的微观图像非极性非极性分子:分子:正、负电荷中心重合正、负电荷中心重合(氢、甲烷、石蜡等)(氢、甲烷、石蜡等)极性极性分子:分子:正、负电荷中心不重合正、负电荷中心不重合(水、有机玻璃等)(水、有机玻璃等)每每一一个个分分子
3、子中中的的正正电电荷荷集集中中于于一一点点,称称为为正正电电荷荷重重心心;负负电电荷荷集集中中于于另另一一点点,称称为为负负电电荷重心荷重心构成构成电偶极子电偶极子.分子的电矩:分子的电矩:CHCH4 4分子分子H H2 2O O分子分子4编辑编辑ppt无外场时:无外场时:极性分子极性分子非极性分子非极性分子有外电场时有外电场时极性分子极性分子取向极化取向极化分子固有电矩在分子固有电矩在电场作用下沿外电场电场作用下沿外电场方向取向方向取向5编辑编辑ppt极化的效果:极化的效果:端面出现端面出现束缚电荷束缚电荷(外电场外电场)+-无极分子无极分子位移极化位移极化(外电场外电场)+-6编辑编辑pp
4、t极化的效果:极化的效果:端面出现端面出现束缚电荷束缚电荷位移极化和转向极化微观机制不同,宏观位移极化和转向极化微观机制不同,宏观效果相同。效果相同。2.电极化强度电极化强度 (Polarization intensity)表示电介质极化程度表示电介质极化程度 电电极极化化强强度度:单单位位体体积积内内的的分分子子电电矩矩的矢量和的矢量和的的SI单位单位:C/m2 7编辑编辑ppt对非极性对非极性电介质:电介质:单位体积内的分子数单位体积内的分子数 实验表明实验表明:对于各向同性电介质,有对于各向同性电介质,有该点的总场强该点的总场强称称介质的极化率介质的极化率由介质的性质决定,与由介质的性质
5、决定,与 无关。在各向无关。在各向同性均匀介质中为常数。同性均匀介质中为常数。8编辑编辑ppt3.介质的击穿介质的击穿(dielectric breakdown)外电场很强时外电场很强时,大量分子离解大量分子离解,介质变介质变 成导体成导体介电强度介电强度(击穿场强击穿场强):电介质所能承受的最电介质所能承受的最大场强大场强介质介质 介电强度介电强度(106 V/m)空气空气 3矿物油矿物油15瓷瓷 6 20玻璃玻璃 10 25聚乙烯聚乙烯 509编辑编辑ppt二、介质表面的束缚电荷二、介质表面的束缚电荷+以非极性电介质为例:以非极性电介质为例:表面表面dS 的的束缚电荷束缚电荷:dS由由极化
6、面电荷密度为极化强度极化面电荷密度为极化强度外法线外法线的分量的分量此结果也适用于极性电介质此结果也适用于极性电介质10编辑编辑ppt三、封闭介质面三、封闭介质面S内的束缚电荷内的束缚电荷介质介质SQ内内dS 在在介介质质内内作作一一封封闭闭曲面曲面 S因为电介质为电中性,由电荷守恒定律:因为电介质为电中性,由电荷守恒定律:11编辑编辑ppt 10.3 的高斯定律的高斯定律 Gausss law for 一、一、电介质中的电场电介质中的电场总场总场外场外场+束缚电荷的电束缚电荷的电场场+-自由电荷:自由电荷:金属导体所带的电荷金属导体所带的电荷 由自由电荷和束缚电荷共同产生由自由电荷和束缚电荷
7、共同产生12编辑编辑ppt对闭曲面对闭曲面S,有有导体导体电介质电介质闭曲面闭曲面S S二、二、的高斯定律的高斯定律引入引入电位移电位移矢量矢量13编辑编辑ppt 又称为又称为“有电介质时的高斯定律有电介质时的高斯定律”,但也但也适用于没有电介质的情形适用于没有电介质的情形,且对且对任何电场任何电场都都成立成立.的高斯定律的高斯定律(1 1)对于各向同性介质)对于各向同性介质,在通常的场强下在通常的场强下,有有说明:说明:14编辑编辑pptC/m2(同同 )介质的相对介电常量介质的相对介电常量(相对电容率相对电容率)介质的介电常量介质的介电常量(电容率电容率)其中其中电位移线电位移线定义类似于
8、电场线定义类似于电场线:切线方向即电位移切线方向即电位移方向;方向;穿过单位截面积的电位移线数目穿过单位截面积的电位移线数目即电位移大小即电位移大小 的的SI单位:单位:15编辑编辑ppt性质性质:连续;连续;(不会在没有不会在没有自由电荷自由电荷处处中断中断)不闭合;不闭合;(起于起于正自由电荷正自由电荷或无或无穷远处,止于穷远处,止于负自由电荷负自由电荷或无穷或无穷远处远处)不相交不相交(电场单值性电场单值性)+-e.g.在介质的分界面处在介质的分界面处,线连续线连续,而而 线不线不连续连续.16编辑编辑ppt三、定律的应用三、定律的应用自由电荷自由电荷及及介质介质分布的对称性很高分布的对
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