初三理化生陕西中考数学.pptx
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1、第五章第五章 静电场中的电介质静电场中的电介质5.1电介质对电场的影响电介质对电场的影响(a)(b)(a):(b):相对介电常数相对介电常数(a):(b):电场变小电场变小没有自由移动的电荷没有自由移动的电荷 ,即电荷被束缚不,即电荷被束缚不能自由移动束缚电荷。能自由移动束缚电荷。电介质:电介质:对真空,对真空,真空真空5.2 5.2 电介质的极化电介质的极化 +构成电介质的原子或分子中的电子和原子核构成电介质的原子或分子中的电子和原子核 之间的结合力很强,使电子处于一种之间的结合力很强,使电子处于一种束缚状态束缚状态一一.电介质电介质有极分子和无极分子有极分子和无极分子从分子带电荷的角度可以
2、分成两部分:从分子带电荷的角度可以分成两部分:一部分带正电荷;一部分带负电荷。一部分带正电荷;一部分带负电荷。如如 HCl 分子,由带正电荷分子,由带正电荷 H带负电的带负电的 Cl 组成组成根据分子电结构特点电介质分子分为根据分子电结构特点电介质分子分为一般地把构成电介质的最小单元统称为分子一般地把构成电介质的最小单元统称为分子如果分子正电荷中心和负电荷中心重合,如果分子正电荷中心和负电荷中心重合,分子对外显电中性,这样的分子叫分子对外显电中性,这样的分子叫无极分子无极分子如果分子正电荷中心和负电荷中心不重合,如果分子正电荷中心和负电荷中心不重合,分子对外显电性,这样的分子叫分子对外显电性,
3、这样的分子叫有极分子有极分子+-+-+-设有极分子正电荷中心和负电荷中心之间的距离为设有极分子正电荷中心和负电荷中心之间的距离为l,分子中全部正电荷或负电荷的电量为分子中全部正电荷或负电荷的电量为q,有极分子有极分子电荷系统可以等效为一个电偶极子,电荷系统可以等效为一个电偶极子,则等效的电偶极子的电偶极矩为则等效的电偶极子的电偶极矩为q-ql无外电场时:无外电场时:有极分子有极分子无极分子电介质不显电性无极分子电介质不显电性对于有极分子电介质,电介质由大量有极分子组成,对于有极分子电介质,电介质由大量有极分子组成,由于热运动使得有极分子的电偶极矩的取向由于热运动使得有极分子的电偶极矩的取向是杂
4、乱无章的,这样宏观上物质仍就不显电性是杂乱无章的,这样宏观上物质仍就不显电性当电介质处于外电场时,会发生什么呢?当电介质处于外电场时,会发生什么呢?无极分子无极分子1.无极分子电介质极化无极分子电介质极化位移极化位移极化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-无外场时无外场时有外电场时有外电场时(匀强电场匀强电场为例)为例)形成一个电偶极子,每个分子对应一个电偶极子。形成一个电偶极子,每个分子对应一个电偶极子。沿电场方向,相邻两电偶极子的正、负电荷沿电场方向,相邻两电偶极子的正、负电荷靠的很近,对于均匀各向同性电介质,结果靠的很近,对于均匀各向同性电介质,结果使电介质内部仍
5、然是电中性的。使电介质内部仍然是电中性的。但在电介质垂直电场方向的两侧面上,但在电介质垂直电场方向的两侧面上,将分别出现正电荷和负电荷。将分别出现正电荷和负电荷。二二.电介质的极化电介质的极化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+有外电场时有外电场时(匀强电场匀强电场为例)为例)电介质垂直电场方向的两侧面上,电介质垂直电场方向的两侧面上,将分别出现正电荷和负电荷,将分别出现正电荷和负电荷,这些电荷既不能离开电介质又不能自由移动,这些电荷既不能离开电介质又不能自由移动,称作称作“束缚电荷束缚电荷”,或,或“极化电荷极化电荷”称作称作电介质极化电介质极化由于无极分子电介质的极化起源于由于
6、无极分子电介质的极化起源于分子正负电荷中心发生相对位移分子正负电荷中心发生相对位移 称作称作位移极化位移极化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+有外电场时有外电场时(匀强电场匀强电场为例)为例)-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+外电场越强,外电场越强,每个分子的正负电荷中心之间相对位移越大,每个分子的正负电荷中心之间相对位移越大,分子的电偶极矩越强。分子的电偶极矩越强。电介质表面上出现的极化电荷就越多。电介质表面上出现的极化电荷就越多。电介质等效为一大的电偶极子电介质等效为一大的电偶极子2.有极分子电介质极化有极分子电介质极化取向极化取向极化对于有极分子电介质来说,正
7、负电荷中心不重合对于有极分子电介质来说,正负电荷中心不重合,每个分子等效为一个电偶极子,每个分子等效为一个电偶极子,-+-+有外电场时有外电场时(匀强电场匀强电场为例)为例)-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+由于分子的无规则热运动和分子间相互碰撞,由于分子的无规则热运动和分子间相互碰撞,每个电偶极矩排列的取向不可能与电场方向一致,每个电偶极矩排列的取向不可能与电场方向一致,只是有较多的分子的电偶极矩不同程度地接近于只是有较多的分子的电偶极矩不同程度地接近于 外外电场的方向电场的方向外电场越强,取向一致的程度越高。外电场越强,取向一致的程度越高。无外场时无外场时有外电场时有外电场时
8、(匀强电场匀强电场为例)为例)-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+稳定以后,电介质内仍然是电中性的,稳定以后,电介质内仍然是电中性的,而在电介质垂直电场方向的两侧面上出现正的和负而在电介质垂直电场方向的两侧面上出现正的和负的的极化电荷,极化电荷,电介质仍然等效为一大的电偶极子电介质仍然等效为一大的电偶极子这种极化是分子等效电偶极子的电偶极矩转向这种极化是分子等效电偶极子的电偶极矩转向外电场方向产生的外电场方向产生的 叫做叫做取向极化取向极化两种极化方式的宏观效果是相同的:两种极化方式的宏观效果是相同的:极化的微观机理极化的微观机理无极
9、分子无极分子位移极化位移极化内部无净余电荷的区域,仍为电中性的。内部无净余电荷的区域,仍为电中性的。因此,下面从宏观上描述电介质的极化现象时,因此,下面从宏观上描述电介质的极化现象时,就不分为两类电介质来讨论了。就不分为两类电介质来讨论了。有极分子有极分子在电介质两个相对表面上出现了异号的在电介质两个相对表面上出现了异号的极化电荷极化电荷在电介质内有沿电场方向的等效电偶极矩在电介质内有沿电场方向的等效电偶极矩有极分子有极分子取向极化取向极化宏观上足够小宏观上足够小三三.极化强度极化强度 及其与极化电荷、场强的关系及其与极化电荷、场强的关系在电介质内任取一宏观足够小、在电介质内任取一宏观足够小、
10、微观足够大的体积元微观足够大的体积元微观上足够大微观上足够大包含大量的分子,可以求统计平均值包含大量的分子,可以求统计平均值可以反应电介质任意点的性质可以反应电介质任意点的性质当没有外电场时,这体积元中所有分子的当没有外电场时,这体积元中所有分子的电偶极矩的矢量和电偶极矩的矢量和 等于零,等于零,第第 i 个分子的个分子的电偶极矩电偶极矩外电场越强,分子的电偶极矩越强。外电场越强,分子的电偶极矩越强。电介质表面上出现的极化电荷就越多。电介质表面上出现的极化电荷就越多。极化强度极化强度1.1.极化强度极化强度描述极化强弱的物理量描述极化强弱的物理量定义:定义:因此可以定义一个物理量来描述电介质的
11、极化程度因此可以定义一个物理量来描述电介质的极化程度当存在外电场时,由于电介质的极化,当存在外电场时,由于电介质的极化,将不等于零,将不等于零,外电场愈强,被极化的程度愈大,外电场愈强,被极化的程度愈大,的值也愈大的值也愈大记作记作单位体积内,分子单位体积内,分子电偶极矩的矢量和电偶极矩的矢量和真空中真空中2.极化强度极化强度 与极化电荷的关系与极化电荷的关系均匀电介质极化时,其表面有极化电荷出现,均匀电介质极化时,其表面有极化电荷出现,极化程度愈高,极化电荷愈多。极化程度愈高,极化电荷愈多。可证明:可证明:介质介质介质表面极化面电荷密度:极化面电荷密度:则则 (极化电荷为正)(极化电荷为正)
12、若若 指向介质外,指向介质外,则则 (极化电荷为负)(极化电荷为负)若若 指向介质内,指向介质内,介质的极化强度介质的极化强度介质表面外法向介质表面外法向的单位矢量的单位矢量3.极化强度极化强度 与场强的关系与场强的关系电介质极化过程要在介质表面产生电介质极化过程要在介质表面产生极化电荷极化电荷,极化电荷也要在空间激发电场。极化电荷也要在空间激发电场。把激发外电场的电荷称作把激发外电场的电荷称作自由电荷自由电荷,并用并用 表示自由电荷激发的电场的场强表示自由电荷激发的电场的场强用用 表示极化电荷激发的电场的场强表示极化电荷激发的电场的场强空间任一点的合场强空间任一点的合场强 应是上述两类场应是
13、上述两类场强的矢量和强的矢量和-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+由于在电介质中,自由电荷的电场与极化电荷的由于在电介质中,自由电荷的电场与极化电荷的电场的方向总是相反的,电场的方向总是相反的,所以在电介质中的合场强和外场强相比就削弱了。所以在电介质中的合场强和外场强相比就削弱了。-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+3.极化强度极化强度 与场强的关系与场强的关系介质的电极化率介质的电极化率无量纲的纯数无量纲的纯数实验证明:实验证明:对于对于各向同性线性电介质各向同性线性电介质介质内任一点的电极化强度矢量介质内任
14、一点的电极化强度矢量和电介质内该点处的合场强成正比和电介质内该点处的合场强成正比3.极化强度极化强度 与场强的关系与场强的关系求求:板内的场(忽略边缘效应)板内的场(忽略边缘效应)解解:均匀极化均匀极化 表面出现束缚电荷表面出现束缚电荷内部的场由自由电荷和束缚电荷内部的场由自由电荷和束缚电荷共同产生共同产生例例 平行板电容器平行板电容器 自由电荷面密度为自由电荷面密度为充满相对介电常数为充满相对介电常数为 的均匀各向的均匀各向同性线性电介质同性线性电介质联立联立一一.电位移矢量电位移矢量单位单位 C/mC/m2 2各向同性各向同性线性介质线性介质介质方程介质方程5.35.3电位移矢量电位移矢量
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