第二章靜電場中的導(dǎo)體和電介.

1、 第二章第二章靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì)靜電場中導(dǎo)體和電介質(zhì) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1.1.靜電場中導(dǎo)體的性質(zhì)靜電場中導(dǎo)體的性質(zhì) 2.2.靜電場中電介質(zhì)的性質(zhì)靜電場中電介質(zhì)的性質(zhì) 3.3.電容器的性質(zhì)電容器的性質(zhì) 4.4.電場能量電場能量2.1 2.1 靜電場中的導(dǎo)體靜電場中的導(dǎo)體 1.1.導(dǎo)體的靜電平衡條件導(dǎo)體的靜電平衡條件 2.2.電荷分布電荷分布 3.3.導(dǎo)體殼（腔內(nèi)無帶電體的情形）導(dǎo)體殼（腔內(nèi)無帶電體的情形） 4.4.導(dǎo)體殼（腔內(nèi)有帶電體的情形）導(dǎo)體殼（腔內(nèi)有帶電體的情形）2.1.1 2.1.1 導(dǎo)體的靜電平衡條件導(dǎo)體的靜電平衡條件 當(dāng)一帶電體系中的電荷靜止不動(dòng)，從而電當(dāng)一帶電體系中的電荷靜止不

2、動(dòng)，從而電場分布不隨時(shí)間變化時(shí)，則該帶電體系達(dá)場分布不隨時(shí)間變化時(shí)，則該帶電體系達(dá)到了靜電平衡。到了靜電平衡。 均勻?qū)w的靜電平衡條件就是其體內(nèi)場強(qiáng)均勻?qū)w的靜電平衡條件就是其體內(nèi)場強(qiáng)處為處為0 0。 從導(dǎo)體靜電平衡條件還可導(dǎo)出以下推論：從導(dǎo)體靜電平衡條件還可導(dǎo)出以下推論： （1 1）導(dǎo)體是個(gè)等位體，導(dǎo)體表面是個(gè)等位）導(dǎo)體是個(gè)等位體，導(dǎo)體表面是個(gè)等位面。面。 （2 2）導(dǎo)體以外靠近其表面地方的場強(qiáng)處處）導(dǎo)體以外靠近其表面地方的場強(qiáng)處處與表面垂直。與表面垂直。 2.1.2 2.1.2 電荷分布電荷分布 （1 1）體內(nèi)無電荷）體內(nèi)無電荷 在達(dá)到靜電平衡時(shí)，到體內(nèi)部處處沒有未在達(dá)到靜電平衡時(shí)，到體內(nèi)

3、部處處沒有未抵消的靜電荷（即電荷得體密度抵消的靜電荷（即電荷得體密度e e= 0 = 0 ）, ,電荷只分布在導(dǎo)體的表面。電荷只分布在導(dǎo)體的表面。 （2 2）面電荷密度與場強(qiáng)的關(guān)系）面電荷密度與場強(qiáng)的關(guān)系 在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體表面之外附近空在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體表面之外附近空間的場強(qiáng)間的場強(qiáng)E E 與該處導(dǎo)體表面面電荷密度與該處導(dǎo)體表面面電荷密度e e有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： E=E=e e/0 0 （3 3）表面曲率的影響）表面曲率的影響 尖端放電尖端放電 孤立導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)分布同教材中式孤立導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)分布同教材中式（2.12.1），即尖端的附近場強(qiáng)大，平坦的地），即尖端的附近

4、場強(qiáng)大，平坦的地方次之，凹進(jìn)的地方最弱。當(dāng)導(dǎo)體尖端附方次之，凹進(jìn)的地方最弱。當(dāng)導(dǎo)體尖端附近的電場特別強(qiáng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致尖端放電。近的電場特別強(qiáng)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致尖端放電。 2.1.3 2.1.3 導(dǎo)體殼（腔內(nèi)無帶電體的情形）導(dǎo)體殼（腔內(nèi)無帶電體的情形）（1 1）基本性質(zhì)）基本性質(zhì) 當(dāng)導(dǎo)體殼內(nèi)沒有其它帶電體時(shí)，在靜電當(dāng)導(dǎo)體殼內(nèi)沒有其它帶電體時(shí)，在靜電平衡下，（平衡下，（）導(dǎo)體殼的內(nèi)表面上處處沒）導(dǎo)體殼的內(nèi)表面上處處沒有電荷，電荷只能分布在外表面；（有電荷，電荷只能分布在外表面；（）空腔內(nèi)沒有電場，或者說，空腔內(nèi)的電位空腔內(nèi)沒有電場，或者說，空腔內(nèi)的電位處處相等。處處相等。（2 2）法拉第圓筒）法拉第圓筒

5、如教材中圖如教材中圖2-102-10所示，圓筒所示，圓筒C C即為法拉第即為法拉第圓筒，它能把帶電體上的全部電荷轉(zhuǎn)移到圓筒，它能把帶電體上的全部電荷轉(zhuǎn)移到圓筒圓筒C C的外表面上去。的外表面上去。 （3 3）庫侖平方反比率的精確驗(yàn)證）庫侖平方反比率的精確驗(yàn)證 用實(shí)驗(yàn)方法來研究導(dǎo)體內(nèi)部是否確實(shí)沒用實(shí)驗(yàn)方法來研究導(dǎo)體內(nèi)部是否確實(shí)沒有電荷，可以比庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)為精確的有電荷，可以比庫侖扭秤實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)為精確的驗(yàn)證平方反比律。驗(yàn)證平方反比律。 卡文迪許的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置見教材中圖卡文迪許的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置見教材中圖2-2-1111。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先使連接在一起的球。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先使連接在一起的球1 1和殼和殼3 3帶電，然后

6、將導(dǎo)線抽出，將球殼帶電，然后將導(dǎo)線抽出，將球殼3 3的兩半分的兩半分開并移去，再用靜電計(jì)檢驗(yàn)球開并移去，再用靜電計(jì)檢驗(yàn)球1 1上的電荷。上的電荷。反復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明球反復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明球1 1上總沒有電荷。上總沒有電荷。2.1.4 2.1.4 導(dǎo)體殼（腔內(nèi)有帶電體的情形）導(dǎo)體殼（腔內(nèi)有帶電體的情形） （1 1）基本性質(zhì)）基本性質(zhì) 當(dāng)導(dǎo)體殼腔內(nèi)有其它帶電體時(shí)，在靜電當(dāng)導(dǎo)體殼腔內(nèi)有其它帶電體時(shí)，在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體殼的內(nèi)表面所帶電荷與平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體殼的內(nèi)表面所帶電荷與腔內(nèi)電荷的代數(shù)和為腔內(nèi)電荷的代數(shù)和為0 0。 （2 2）靜電屏蔽）靜電屏蔽 導(dǎo)體殼的表面導(dǎo)體殼的表面“保護(hù)保護(hù)”了它所包圍的區(qū)了它所

7、包圍的區(qū)域，使之不受導(dǎo)體殼外表面上的電荷或外域，使之不受導(dǎo)體殼外表面上的電荷或外界電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。界電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。 靜電屏蔽現(xiàn)象在實(shí)際中有重要的應(yīng)用。靜電屏蔽現(xiàn)象在實(shí)際中有重要的應(yīng)用。2.2 2.2 電容和電容器電容和電容器 1. 1.孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 2.2.電容器及其電容電容器及其電容 3.3.電容器的并聯(lián)、串聯(lián)電容器的并聯(lián)、串聯(lián) 4.4.電容器儲(chǔ)能（電能）電容器儲(chǔ)能（電能）2.2.1 2.2.1 孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體的電容 所謂所謂“孤立孤立”導(dǎo)體，是說在這個(gè)導(dǎo)體的附導(dǎo)體，是說在這個(gè)導(dǎo)體的附近沒有其它導(dǎo)體和帶電體。近沒有其它導(dǎo)體和帶電體

8、。 設(shè)想使一個(gè)孤立導(dǎo)體帶電設(shè)想使一個(gè)孤立導(dǎo)體帶電q q，它將具有一定，它將具有一定的電位的電位U, U, 定義：定義：C=q/U, C=q/U, 稱之為該孤立導(dǎo)稱之為該孤立導(dǎo)體的電容。體的電容。 它的物理意義是使導(dǎo)體每升高它的物理意義是使導(dǎo)體每升高單位電位所需的電量。單位電位所需的電量。 電容的單位叫做法拉，簡稱法，用電容的單位叫做法拉，簡稱法，用F F表示：表示：1F=101F=106 6 F =10 F =101212 pF pF2.2.2 2.2.2 電容器及其電容電容器及其電容 如教材中圖如教材中圖2-212-21所示的這種由導(dǎo)體殼所示的這種由導(dǎo)體殼B B和和其腔體內(nèi)的導(dǎo)體其腔體內(nèi)的導(dǎo)

9、體A A組成的導(dǎo)體系，叫做電容組成的導(dǎo)體系，叫做電容器器, , 其電容其電容C CABAB=q=qA A/(U/(UA A-U-UB B) )。組成電容器的。組成電容器的兩導(dǎo)體叫做電容器的極板。兩導(dǎo)體叫做電容器的極板。 電容器在實(shí)際中（主要在交流電路、電電容器在實(shí)際中（主要在交流電路、電子電路中）有著廣泛的應(yīng)用。子電路中）有著廣泛的應(yīng)用。 以下推導(dǎo)幾種不同類型電容器電容公式以下推導(dǎo)幾種不同類型電容器電容公式的（在下面的計(jì)算中暫不考慮絕緣介質(zhì)，的（在下面的計(jì)算中暫不考慮絕緣介質(zhì)，即認(rèn)為極板間是空氣或真空）：即認(rèn)為極板間是空氣或真空）：（1 1） 平行板電容器平行板電容器 平行板電容器由兩塊彼此靠

10、得很近的平行金屬平行板電容器由兩塊彼此靠得很近的平行金屬極板組成。設(shè)兩極板極板組成。設(shè)兩極板A A、B B的面積為的面積為S , S , 帶電量帶電量分別為分別為q , q , 則電荷的面密度分別為則電荷的面密度分別為 e e = =q/S q/S 根據(jù)式（根據(jù)式（2.12.1），場強(qiáng)為），場強(qiáng)為 E = E = e e/0 0 ， 電位差為電位差為 根據(jù)電容的定義根據(jù)電容的定義0BeABAdUEdlEdS0ABSqCUd (2) (2) 同心球形電容器同心球形電容器 同心球形電容器由兩個(gè)同心球形導(dǎo)體同心球形電容器由兩個(gè)同心球形導(dǎo)體A A、B B組組成。設(shè)同心球形導(dǎo)體成。設(shè)同心球形導(dǎo)體A A、

11、B B所帶電荷分別為所帶電荷分別為q q ，其半徑分別為，其半徑分別為R RA A和和R RB B（R RA ARRB B），由），由 高斯定理可知高斯定理可知 則則A A、B B之間的電位差之間的電位差 同心球形電容器的電容同心球形電容器的電容 2014qEr2000111()444BABRBAABARBAABRRqqqUEdldrrRRR R04ABABBAR RqCURR（3 3） 同軸柱形電容器同軸柱形電容器 同軸柱形電容器由兩個(gè)同軸柱形導(dǎo)體同軸柱形電容器由兩個(gè)同軸柱形導(dǎo)體A A、B B組成。組成。設(shè)兩個(gè)同軸柱形導(dǎo)體設(shè)兩個(gè)同軸柱形導(dǎo)體A A、B B半徑分別為半徑分別為R RA A和和R

12、 RB B（R RA ARRB B），長度為），長度為L L。當(dāng)。當(dāng)LRLRB B -R -RA A利用高斯定利用高斯定理可知，理可知， 其中其中是每個(gè)電極在單位長度內(nèi)電荷的絕對值。是每個(gè)電極在單位長度內(nèi)電荷的絕對值。兩柱形電極兩柱形電極A A、B B間的電位差為間的電位差為 同軸柱形電容器電容為同軸柱形電容器電容為02Er001122lnBABARBRABrRARUE dLdrB0AR2L/lnRC 由上可知，計(jì)算電容的步驟是：由上可知，計(jì)算電容的步驟是： （） 設(shè)電容器兩極上分別帶電荷設(shè)電容器兩極上分別帶電荷q q ，計(jì)算電容兩極間的場強(qiáng)分布，計(jì)算電容兩極間的場強(qiáng)分布，從而計(jì)算出兩極板間的

13、電位差從而計(jì)算出兩極板間的電位差U UABAB來；來； （）所得的）所得的U UABAB必然與必然與q q成正比，利用成正比，利用電容的定義電容的定義C=q/UC=q/UABAB求出電容，它一定求出電容，它一定與與q q無關(guān)，完全由電容器本身的性質(zhì)無關(guān)，完全由電容器本身的性質(zhì)（如幾何形狀、尺寸等）所決定。（如幾何形狀、尺寸等）所決定。 2.2.3 2.2.3 電容器的并聯(lián)、串聯(lián)電容器的并聯(lián)、串聯(lián) （1 1） 并聯(lián)并聯(lián) 電容器并聯(lián)時(shí)，總電容等于個(gè)電容器電容之電容器并聯(lián)時(shí)，總電容等于個(gè)電容器電容之和。和。 (2) (2) 串聯(lián)串聯(lián) 電容器串聯(lián)后，總電容的倒數(shù)是各電容器電電容器串聯(lián)后，總電容的倒數(shù)是

14、各電容器電容的到數(shù)之和容的到數(shù)之和 12nCCCC121111nCCCC2.2.4 2.2.4 電容器儲(chǔ)能（電能）電容器儲(chǔ)能（電能） 設(shè)每一極板上所帶電荷量的絕對值為設(shè)每一極板上所帶電荷量的絕對值為Q,Q,兩兩極板間的電壓為極板間的電壓為U,U,則電容器儲(chǔ)存的電能則電容器儲(chǔ)存的電能 從這個(gè)意義上說，電容從這個(gè)意義上說，電容C C也是電容器儲(chǔ)能也是電容器儲(chǔ)能本領(lǐng)大小的標(biāo)志。本領(lǐng)大小的標(biāo)志。 22111222QeCWC UQ U2.3 2.3 電介質(zhì)電介質(zhì) 1.1.電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化2.2.極化的微觀機(jī)制極化的微觀機(jī)制3.3.極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量P P4.4.退極化場退極化場5.5.電介

15、質(zhì)的極化規(guī)律電介質(zhì)的極化規(guī)律 極化率極化率6.6.電位移矢量與有介質(zhì)時(shí)的高斯定電位移矢量與有介質(zhì)時(shí)的高斯定 介電常數(shù)介電常數(shù)7.7.電介質(zhì)材料的新應(yīng)用電介質(zhì)材料的新應(yīng)用2.3.1 2.3.1 電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化 電介質(zhì)就是絕緣介質(zhì)，它們是不導(dǎo)電的。電介質(zhì)就是絕緣介質(zhì)，它們是不導(dǎo)電的。把電介質(zhì)插入電場后，由于同號電荷相斥，把電介質(zhì)插入電場后，由于同號電荷相斥，異號電荷相吸的結(jié)果，介質(zhì)表面上會(huì)出現(xiàn)異號電荷相吸的結(jié)果，介質(zhì)表面上會(huì)出現(xiàn)如教材中圖如教材中圖2-332-33所示正負(fù)電荷，這種現(xiàn)象所示正負(fù)電荷，這種現(xiàn)象叫電介質(zhì)的極化，它表面出現(xiàn)的這種電荷叫電介質(zhì)的極化，它表面出現(xiàn)的這種電荷叫極化電荷

16、。叫極化電荷。2.3.2 2.3.2 極化的微觀機(jī)制極化的微觀機(jī)制 電介質(zhì)可以分為兩類：電介質(zhì)可以分為兩類： （1 1）無極分子：）無極分子： 當(dāng)外電場不存在時(shí)，電當(dāng)外電場不存在時(shí)，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷介質(zhì)分子的正負(fù)電荷“重心重心”是重合的。是重合的。 （2 2）有極分子：）有極分子： 當(dāng)外電場不存在時(shí)，電當(dāng)外電場不存在時(shí)，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷介質(zhì)分子的正負(fù)電荷“重心重心”不重合。不重合。 有極分子中等量的正負(fù)電荷有極分子中等量的正負(fù)電荷“重心重心”互相互相錯(cuò)開形成的電偶極矩叫做分子的固有極矩。錯(cuò)開形成的電偶極矩叫做分子的固有極矩。（1 1） 無極分子的位移極化無極分子的位移極化 在外加電場作

17、用下，無極分子原本重合的在外加電場作用下，無極分子原本重合的正負(fù)電荷正負(fù)電荷“重心重心”錯(cuò)開了，形成了一個(gè)電錯(cuò)開了，形成了一個(gè)電偶極子，分子電偶極矩的方向沿外電場方偶極子，分子電偶極矩的方向沿外電場方向。這種在外電場作用下產(chǎn)生的電偶極矩向。這種在外電場作用下產(chǎn)生的電偶極矩稱為感生電矩。稱為感生電矩。 在外電場的作用下電介質(zhì)出現(xiàn)極化電荷的在外電場的作用下電介質(zhì)出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象，就是電介質(zhì)的極化。現(xiàn)象，就是電介質(zhì)的極化。 在外場作用下，主要是電子位移，因而無在外場作用下，主要是電子位移，因而無極分子的極化機(jī)制通常稱為電子位移極化。極分子的極化機(jī)制通常稱為電子位移極化。（2 2）有極分子的取向極化

18、）有極分子的取向極化 在外電場作用下，由于絕大多數(shù)分子電矩在外電場作用下，由于絕大多數(shù)分子電矩的方向都不同程度的指向右方，所以教材的方向都不同程度的指向右方，所以教材圖圖2-352-35中左端出現(xiàn)了未被抵消的負(fù)束縛電中左端出現(xiàn)了未被抵消的負(fù)束縛電荷，右端出現(xiàn)正的束縛電荷，這種極化機(jī)荷，右端出現(xiàn)正的束縛電荷，這種極化機(jī)制稱為取向極化。制稱為取向極化。2.3.3 2.3.3 極化強(qiáng)度矢量極化強(qiáng)度矢量P P（1 1）定義）定義 它是量度電介質(zhì)極化狀態(tài)（包含極化的程度和它是量度電介質(zhì)極化狀態(tài)（包含極化的程度和極化的方向）的物理量。極化的方向）的物理量。 它的單位是庫侖它的單位是庫侖/ /米米2 2。

19、如果在電介質(zhì)中各點(diǎn)的極化強(qiáng)度矢量大小和方如果在電介質(zhì)中各點(diǎn)的極化強(qiáng)度矢量大小和方向都相同，則稱該極化是均勻的；否則極化是向都相同，則稱該極化是均勻的；否則極化是不均勻的。不均勻的。PVP分子（2 2）極化電荷的分布與極化強(qiáng)度矢量的關(guān)系）極化電荷的分布與極化強(qiáng)度矢量的關(guān)系 以位移極化為模型，設(shè)想介質(zhì)極化時(shí)，每個(gè)以位移極化為模型，設(shè)想介質(zhì)極化時(shí)，每個(gè)分子中的正電分子中的正電“重心重心”相對負(fù)電相對負(fù)電“重心重心”有有個(gè)位移個(gè)位移l l。用。用q q代表分子中正、負(fù)電荷的數(shù)量，代表分子中正、負(fù)電荷的數(shù)量，則分子電矩則分子電矩P P分子分子=ql=ql。設(shè)單位體積內(nèi)有。設(shè)單位體積內(nèi)有 n n個(gè)分子，則

20、極化強(qiáng)度矢量個(gè)分子，則極化強(qiáng)度矢量P=npP=np分子分子=nql=nql。 取任意閉合面取任意閉合面S,S,根據(jù)電荷守恒定律，根據(jù)電荷守恒定律，P P通過整通過整個(gè)閉合面?zhèn)€閉合面S S的通量應(yīng)等于的通量應(yīng)等于S S面內(nèi)凈余的極化電面內(nèi)凈余的極化電荷荷qq的負(fù)值的負(fù)值 ，即，即 這個(gè)公式表達(dá)了極化強(qiáng)度矢量這個(gè)公式表達(dá)了極化強(qiáng)度矢量P P與極化電荷分與極化電荷分布的一個(gè)普遍關(guān)系。布的一個(gè)普遍關(guān)系。 ()SdSq內(nèi)（S）P 可以證明，如果介質(zhì)時(shí)均勻的，其體內(nèi)不會(huì)可以證明，如果介質(zhì)時(shí)均勻的，其體內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)凈余的束縛電荷，即極化電荷的體密出現(xiàn)凈余的束縛電荷，即極化電荷的體密度度 。 在電介質(zhì)的表面上，

21、極化電荷的面密度為在電介質(zhì)的表面上，極化電荷的面密度為 這里這里Pn=PPn=Pn n=Pcos=Pcos是是P P沿介質(zhì)表面外法線沿介質(zhì)表面外法線n n方向的投影。方向的投影。0ecosdqendSPP nP2.3.4 2.3.4 退極化場退極化場 在有點(diǎn)介質(zhì)存在時(shí)，根據(jù)場強(qiáng)疊加原理，在有點(diǎn)介質(zhì)存在時(shí)，根據(jù)場強(qiáng)疊加原理，空間任意一點(diǎn)的場強(qiáng)空間任意一點(diǎn)的場強(qiáng)E E是外電場是外電場E E0 0和極化電和極化電荷的電場荷的電場E E的矢量和：的矢量和： E = EE = E0 0 + E+ E 極化電荷在介質(zhì)內(nèi)部的附加場極化電荷在介質(zhì)內(nèi)部的附加場E E總是起著總是起著減弱極化的作用，故叫做退極化場

22、。退極減弱極化的作用，故叫做退極化場。退極化場的大小與電介質(zhì)的幾何形狀有著密切化場的大小與電介質(zhì)的幾何形狀有著密切的關(guān)系。的關(guān)系。2.3.52.3.5電介質(zhì)的極化規(guī)律電介質(zhì)的極化規(guī)律 極化率極化率 對于大多數(shù)常見的各向同性的電介質(zhì)，對于大多數(shù)常見的各向同性的電介質(zhì)，P P與與0 0E E方向相同，數(shù)量上成正比關(guān)系：方向相同，數(shù)量上成正比關(guān)系： P=P=e e0 0E E 比例常數(shù)比例常數(shù)e e叫做極化率，它與場強(qiáng)叫做極化率，它與場強(qiáng)E E無關(guān)，無關(guān)，與電介質(zhì)的種類有關(guān)，是介質(zhì)材料的屬性。與電介質(zhì)的種類有關(guān)，是介質(zhì)材料的屬性。2.3.6 2.3.6 電位移矢量與有介質(zhì)時(shí)的高斯定理電位移矢量與有介

23、質(zhì)時(shí)的高斯定理 介電常數(shù)介電常數(shù) 在有電介質(zhì)存在時(shí)，高斯定理仍然成立，但應(yīng)注在有電介質(zhì)存在時(shí)，高斯定理仍然成立，但應(yīng)注意計(jì)算總電場的電通量時(shí)應(yīng)計(jì)及高斯面給所包含意計(jì)算總電場的電通量時(shí)應(yīng)計(jì)及高斯面給所包含的自由電荷的自由電荷q q和極化電和極化電 荷荷 q q : : 又有：又有： 將前式乘以將前式乘以0 0，與后式相加，消去極化電荷，與后式相加，消去極化電荷qq，010( )()ssE dSqq內(nèi)( )ssP dSq 內(nèi)00( )()ssEPdSq內(nèi) 現(xiàn)引入一個(gè)輔助性的物理量現(xiàn)引入一個(gè)輔助性的物理量D D，它的定義為：，它的定義為： D =D =0 0E + PE + P D D叫做電位移矢量

24、，或電感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則叫做電位移矢量，或電感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則 此外，由此外，由 P=P=e e0 0E E， D =D =0 0E + P E + P 可推出：可推出： D=D=（1+1+e e）0 0E= E= 0 0E E 其中比例系數(shù)其中比例系數(shù) = 1+ = 1+e e，叫做電介質(zhì)的介，叫做電介質(zhì)的介 電常數(shù)，或相對介電常數(shù)。電常數(shù)，或相對介電常數(shù)。0()( )qSSD dS內(nèi)2.3.7 2.3.7 電介質(zhì)材料的新應(yīng)用電介質(zhì)材料的新應(yīng)用 電介質(zhì)可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，品種電介質(zhì)可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，品種繁多，分布廣泛。固態(tài)電介質(zhì)具有電致伸繁多，分布廣泛。固態(tài)電介質(zhì)具有電致伸縮、壓電性、

25、熱釋電性、鐵電性等許多可縮、壓電性、熱釋電性、鐵電性等許多可供技術(shù)應(yīng)用的物理特性。供技術(shù)應(yīng)用的物理特性。 1.1.高介陶瓷的新應(yīng)用：高介陶瓷的新應(yīng)用： 高介陶瓷與其它電介質(zhì)材料相比，具有高介陶瓷與其它電介質(zhì)材料相比，具有一個(gè)非常突出的性能，就是具有高介電常一個(gè)非常突出的性能，就是具有高介電常數(shù)。它比有機(jī)聚合物要高上千倍，有的甚數(shù)。它比有機(jī)聚合物要高上千倍，有的甚至上萬倍。因此人們一般用它們來做電容至上萬倍。因此人們一般用它們來做電容器，例如，高介電容器、微波介電陶瓷、器，例如，高介電容器、微波介電陶瓷、反鐵電儲(chǔ)能電容器反鐵電儲(chǔ)能電容器 2.2.壓電性的應(yīng)用：壓電性的應(yīng)用： 壓電應(yīng)用是各類耦合應(yīng)

26、用中最廣泛的，利壓電應(yīng)用是各類耦合應(yīng)用中最廣泛的，利用壓電原理的應(yīng)用大體可分成靜態(tài)（包括用壓電原理的應(yīng)用大體可分成靜態(tài)（包括準(zhǔn)靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)（從次聲頻到超高頻微聲）準(zhǔn)靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)（從次聲頻到超高頻微聲）兩大類。兩大類。 利用壓電靜態(tài)原理的器件有：壓電點(diǎn)火、利用壓電靜態(tài)原理的器件有：壓電點(diǎn)火、引燃、引爆器件；壓電開關(guān)；壓電微位移引燃、引爆器件；壓電開關(guān)；壓電微位移器；應(yīng)力分布測試儀等。器；應(yīng)力分布測試儀等。 利用壓電動(dòng)態(tài)原理的器件有：壓電水聲換利用壓電動(dòng)態(tài)原理的器件有：壓電水聲換能器；壓電揚(yáng)聲器；超聲清洗器；壓電濾能器；壓電揚(yáng)聲器；超聲清洗器；壓電濾波器等。波器等。 3.3.熱釋電的應(yīng)用：熱釋電的

27、應(yīng)用： 熱釋電效應(yīng)的應(yīng)用主要包括紅外探測和熱熱釋電效應(yīng)的應(yīng)用主要包括紅外探測和熱電量轉(zhuǎn)換兩個(gè)方面。電量轉(zhuǎn)換兩個(gè)方面。 紅外探測方面的應(yīng)用主要有：入侵報(bào)警器；紅外探測方面的應(yīng)用主要有：入侵報(bào)警器；火警傳感器；輻射計(jì)?；鹁瘋鞲衅?；輻射計(jì)。 熱電量轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用主要有：鐵電熱電量轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用主要有：鐵電- -順電順電相變換能；鐵電相變換能；鐵電- -反鐵電相變換能；反鐵電反鐵電相變換能；反鐵電- -順電相變換能；鐵電順電相變換能；鐵電- -鐵電相變換能。鐵電相變換能。 4.4.鐵電高功率脈沖電源鐵電高功率脈沖電源 鐵電高功率脈沖電源又常被稱為沖擊波爆鐵電高功率脈沖電源又常被稱為沖擊波爆電換能器，是

28、鐵電體所特有的應(yīng)用。電換能器，是鐵電體所特有的應(yīng)用。 5.5.鐵電薄膜存儲(chǔ)器鐵電薄膜存儲(chǔ)器 鐵電薄膜的應(yīng)用主要有：高容量鐵電薄膜的應(yīng)用主要有：高容量DRAMDRAM器件；器件；電荷耦合的紅外探測器（電荷耦合的紅外探測器（CCDS)CCDS)；鐵電場效；鐵電場效應(yīng)晶體管；鐵電薄膜壓電器件。應(yīng)晶體管；鐵電薄膜壓電器件。2.4 2.4 電場的能量和能量密度電場的能量和能量密度 電容器的儲(chǔ)能公式為：電容器的儲(chǔ)能公式為： 上式中上式中Q Q0 0為極板上的自由電荷，它與電位移的關(guān)為極板上的自由電荷，它與電位移的關(guān)系是系是Q Q0 0 = =eoeoS=DS S=DS ；U U是電壓，它與場強(qiáng)的關(guān)系是是電

29、壓，它與場強(qiáng)的關(guān)系是U=EdU=Ed。代入上式，得。代入上式，得 單位體積內(nèi)電能，即電能密度單位體積內(nèi)電能，即電能密度 e e為為 在真空中，在真空中， = 1 = 1，則，則012eWQ U1122eWDESdDEV201122eeWDEEV2012eE 當(dāng)電場不均勻時(shí)，總電能當(dāng)電場不均勻時(shí)，總電能W We e是電能密度是電能密度 e e的的體積分：體積分： 在真空中上式化為：在真空中上式化為：2022eeEDEWdVdVdV2022eeEDEWdVdVdV小小 結(jié)結(jié)一一. .靜電場中的導(dǎo)體靜電場中的導(dǎo)體 1.1.均勻?qū)w靜電平衡條件：均勻?qū)w靜電平衡條件：E=0E=0 2. 2.導(dǎo)體靜電平衡性質(zhì)：導(dǎo)體靜電平衡性質(zhì)： 電場：電場：E E內(nèi)內(nèi)=0 E=0 E表面表面= =/ /0 0 電位：導(dǎo)體是等位體，表面是等位面電位：導(dǎo)體是等位體，表面是等位面 電荷：內(nèi)部無電荷，電荷只分布在外電荷：內(nèi)部無電荷，電荷只分布在外 表面表面 曲率大曲率大e e大，大，E E大；反之，相反