計算機(jī)電介質(zhì)

計算機(jī)電介質(zhì)第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五§7.1靜電場中的導(dǎo)體一.導(dǎo)體的靜電平衡條件1、靜電平衡：

當(dāng)一帶電體系的電荷靜止不動，電場分布也不隨時間變化時，該帶電體系就達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)；（1）導(dǎo)體內(nèi)場強(qiáng)處處為零；（2）導(dǎo)體外靠近其表面處的場強(qiáng)處處與導(dǎo)體表面垂直。2.均勻?qū)w靜電平衡的條件第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五3.靜電平衡條件下實心導(dǎo)體的靜電性質(zhì)：

導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面。但導(dǎo)體的電勢與外部電場有關(guān)。（1）電勢分布：第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（2）電荷的分布導(dǎo)體體內(nèi)處處凈電荷為零，電荷只分布在導(dǎo)體的表面；由高斯定理導(dǎo)體帶電只能在表面！第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五對孤立的帶電導(dǎo)體，電荷在導(dǎo)體表面凸出的尖銳部分電荷面密度較大；在比較平坦部分電荷面密度較小；在表面凹進(jìn)部分帶電面密度最小。尖端放電孤立導(dǎo)體孤立導(dǎo)體尖端處電荷多應(yīng)用：視頻第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五熒光質(zhì)導(dǎo)電膜+高壓場離子顯微鏡(FIM)金屬尖端的強(qiáng)電場的應(yīng)用一例接真空泵或充氦氣設(shè)備金屬尖端接地原理：樣品制成針尖形狀，針尖與熒光膜之間加高壓，樣品附近極強(qiáng)的電場使吸附在表面的原子電離，氦離子沿電力線運動，撞擊熒光膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面的圖象。第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（3）場強(qiáng)分布i導(dǎo)體內(nèi)部但導(dǎo)體電荷分布仍受外部電場的影響；ii導(dǎo)體外靠近表面處的與表面垂直，其大小取決于該導(dǎo)體表面的面電荷密度處處第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五證明：導(dǎo)體導(dǎo)體表面電荷密度相應(yīng)的電場強(qiáng)度為設(shè)P是導(dǎo)體外緊靠導(dǎo)體表面的一點^：外法線方向?qū)w表面寫作：第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五證明:S與等勢體矛盾?4、空腔導(dǎo)體的靜電性質(zhì)在導(dǎo)體殼內(nèi)緊貼內(nèi)表面作高斯面S高斯定理若內(nèi)表面有一部分是正電荷一部分是負(fù)電荷則會從正電荷向負(fù)電荷發(fā)電力線

空腔導(dǎo)體的電荷只分布在外表面（1）腔內(nèi)無帶電體i電荷分布：第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五

空腔內(nèi)無電場，各點場強(qiáng)為零即空腔導(dǎo)體電勢處處相等，但其電勢受外電場的影響ii場強(qiáng)分布iii電勢分布第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（2）.腔內(nèi)有帶電體電荷分布電場分布

（用高斯定理可證）或說在腔內(nèi)腔內(nèi)電場只由腔內(nèi)帶電體與殼的內(nèi)部形狀決定，殼外電荷對殼內(nèi)電場沒有影響殼外電場只由殼外情況決定，不受殼內(nèi)電荷的影響第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五-Q+Q+Q-Q+Q+Q+Q+Q-Q第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五封閉導(dǎo)體殼（不論接地與否）內(nèi)部電場不受殼外電荷的影響，只與內(nèi)部帶電量及內(nèi)部幾何條件及介質(zhì)有關(guān)接地封閉導(dǎo)體殼外部電場不受殼內(nèi)電荷的影響只由外部帶電體和外部幾何條件及介質(zhì)決定靜電屏蔽：靜電屏蔽的裝置---接地導(dǎo)體殼視頻第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五1、電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)正常情況下，電子相對于核球?qū)ΨQ分布，所有原子的正、負(fù)電荷中心重合在一起+-（1）有極分子一、靜電場中的電介質(zhì)：§7-2靜電場中的電介質(zhì)電極化密度第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五有極分子(a)HCl(b)H2O(c)NH3無電場時熱運動---紊亂電中性第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五無極分子+-（2）無極分子(b)CH4(a)He第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2.電介質(zhì)極化位移極化和取向極化1、位移極化無極分子極化示意圖+--+++++++極化電荷第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（2）取向極化有極分子取向極化示意圖有極分子+–++極化電荷第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五宏觀上無限小微觀上無限大的體積元每個分子的電偶極矩3.電極化強(qiáng)度（1）定義：（2）極化強(qiáng)度與極化電荷的數(shù)量關(guān)系位移極化第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（2）dV內(nèi)所有分子電偶極矩的矢量和:極化電荷面密度：斜圓柱體的體積:第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五二、介質(zhì)極化的應(yīng)用：1。微波爐：食物從內(nèi)到外同時加熱；變成炸彈的雞蛋第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2、高頻電療：在高頻電場作用下，電介質(zhì)分子反復(fù)極化；3、工業(yè)上的應(yīng)用電容傳感器:

以各種類型的電容為傳感元件,將被測物理量的變化變化為電容的變化平行板電容器電容:電容傳感器分為三種類型:變間隙式;變面積式;變介電常數(shù)式第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（一）變間隙式d板間隙變化d，電容器電容增量：12（2與待測物相連）第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五實際應(yīng)用中，為改善非線性，提高靈敏度常采用差動式（2與待測物相連）1232上移d，電容器總電容改變量：的非線性得到改善，改變提高了兩倍第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（二）變面積型12（2與待測物相連）aba極板2有位移a，電容器電容改變量：優(yōu)點：（1）C~a線性；（2）a大小不受限制第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五（三）變介電常數(shù)測量油罐內(nèi)油位的電容式傳感器123DdLH傳感器的電容：第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五§6-3電位移矢量有電介質(zhì)時的的高斯定理一、電位移矢量1、極化電場是有勢場2、介質(zhì)中的高斯定理

真空中介質(zhì)中第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五以平行板電容器為例:AB++++++–––––––––+++s1s2選柱形閉合曲面為高斯面:第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++–––––––––s1s2引入:+++通過閉合曲面的電位移通量等于該閉合曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和有介質(zhì)時的高斯定理:各向同性均勻介質(zhì):第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五說明:(1)閉合曲面的電位移通量只和曲面內(nèi)的自由電荷有關(guān)(2)電位移矢量不僅決定于自由電荷的分布,還和極化電荷的分布有關(guān)第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五例1:平行板電容器帶電量為Q0,在負(fù)極板附近充上一層相對介電常數(shù)為r的電介質(zhì)求:(1)板間空氣中的(2)電介質(zhì)中的和和AB++++++––––––Q0(0)r第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++––––––Q0(0)r解:(1)做柱形高斯面:s1s2第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++––––––Q0(0)rs1s2又:第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++––––––Q0(0)rs1s2(2)做柱形高斯面:又:第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++––––––Q0(0)rs1s2第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五AB++++++––––––Q0(0)r第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五rAB++++++––––––Q0(0)說明:(1)電位移線起始于正的自由電荷,止于負(fù)的自由電荷;(2)電場線起止于各種正、負(fù)電荷，包括自由電荷和極化電荷；第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五rAB++++++––––––Q0(0)（3）在均勻介質(zhì)中極化電荷的產(chǎn)生使介質(zhì)中場強(qiáng)減小了（4）介質(zhì)中電極化強(qiáng)度線從負(fù)極化電荷指向正極化電荷第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五總結(jié)：1、計算極化強(qiáng)度：第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五2、電荷分布均勻時，電位移與介質(zhì)無關(guān)；當(dāng)電荷分布不均勻時，電位移與介質(zhì)有關(guān)A介質(zhì)球只有A：BA和B：第四十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五例:一個點電荷q放在介電常數(shù)為的無限大均勻介質(zhì)中，點電荷在介質(zhì)中產(chǎn)生的場強(qiáng)和電勢各為多少？點電荷在任意空間產(chǎn)生的場強(qiáng)和電勢分別為：無限大均勻介質(zhì)中任意點的場強(qiáng)和電勢：第四十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五§7靜電場的能量能量密度一、電容器具有的能量：----++++----+++++q-q視頻第四十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期五----++++某一時刻t，電容器兩端電壓U（t），帶電量為q（t）1、電容器電量增加dq，外力克服電場力做功：dW=Udq第四十三頁，