wy-d電介質(zhì)教學(xué)課件

第四章靜電場中的電介質(zhì)(DielectricsinElectrostaticField)電介質(zhì)的極化的高斯定律電容器與電容靜電場的能量內(nèi)容(放在電場中的)電介質(zhì)電場+++++----+++++----實驗結(jié)論:電介質(zhì)——絕緣體(無自由電荷)§4.1靜電場中的電介質(zhì)(DielectricsinElectrostaticField)1.介質(zhì)的極化(polarization)——在外電場作用下，介質(zhì)表面感生出束縛(極化)電荷的現(xiàn)象．+++---(外電場)在無外電場作用時，正、負(fù)電“重心”重合。在無外電場作用時，正、負(fù)電“重心”不重合。

無極分子：

有極分子：⑴微觀機(jī)制①取向極化(orientationpolarization)——分子固有電矩在電場作用下?lián)駜?yōu)取向+-+-+-+-+q-q電矩面束縛電荷②位移極化(displacementpolarization)電子位移：離子位移：

-++q-q-q+q面束縛電荷⑵宏觀描述定義：極化強(qiáng)度SI單位:C/m2

實驗表明：對于各向同性介質(zhì)，有該點處的總場強(qiáng)分子的偶極矩體積元介質(zhì)的極化率(polarizability)(純數(shù))*2.介質(zhì)表面的束縛電荷(boundcharges)=Pn束縛面電荷密度：++++Pn電介質(zhì)P++++σ′3.介質(zhì)的擊穿(dielectricbreakdown)——外電場很強(qiáng)時,大量分子離解,介質(zhì)變成導(dǎo)體．介電強(qiáng)度(擊穿場強(qiáng))：電介質(zhì)所能承受的最大場強(qiáng)介質(zhì)介電強(qiáng)度(106V/m)空氣3礦物油15瓷620玻璃1025聚乙烯50云母80200§4.2的高斯定律(GausssLawfor

)1.電位移(electricdisplacement)在有介質(zhì)存在時自由電荷產(chǎn)生的電場束縛電荷產(chǎn)生的電場一般情況下束縛電荷是未知的定義:——電位移各向同性介質(zhì)：SI單位:C/m2

SI單位：

r(純數(shù))——介質(zhì)的相對介電常量

(相對電容率)——介質(zhì)的介電常量

(電容率)其中

：C2/Nm2(同

0)介質(zhì)

r真空1空氣1.00059變壓器油2.24瓷68玻璃510鈦酸鋇103104云母472.的高斯定律——通過任意閉曲面的電位移通量等于該曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和自由電荷又稱“有電介質(zhì)時的高斯定律”,并且對任何電場都成立.Note:3.定律的應(yīng)用在自由電荷分布和介質(zhì)分布都具有很高對稱性時,該定律

、、、[例4-1]平行板電容器,板間充滿電介質(zhì)(

r),極板上自由電荷面密度為

,則介質(zhì)中D=

,E=

.++++++------解：高斯面S：底面積為A的柱面AS由對稱性,介質(zhì)中、方向垂直于板面,且分布均勻于是[思考]介質(zhì)中束縛電荷的場強(qiáng)？注意區(qū)分：凈電荷，自由電荷，束縛電荷§4.3電容器與電容(CapacitorsandCapacitance)1.電容器——由兩個彼此靠近且互相絕緣的導(dǎo)體組成類型：⑴平行板電容器⑵圓柱形電容器⑶球形電容器2.電容C——表征電容器儲存電荷和能量的能力⑴C的定義一極板上的電量極板間的電勢差C僅依賴于電容器的幾何以及極板間介質(zhì)的性質(zhì)SI單位：F(法拉)1F=1C/V1F=10-6F,1pF=10-12FNote:⑵C的計算①平行板電容器+Q

QUSd板間為真空時：板間充滿某一介質(zhì)時：②圓柱形電容器(單位長度的電容)設(shè)內(nèi)筒半徑為R1

外筒半徑為R2r+

-

筒間為真空時：若內(nèi)筒改為實心柱,則電容值是否改變?[思考]筒間充滿某一介質(zhì)時：(自驗)③球形電容器R1R2球殼間為真空時：(自驗)球殼間充滿某一介質(zhì)時：(自驗)若內(nèi)球殼改為實心球,則電容值是否改變?[思考]1.令R2

,則有——孤立導(dǎo)體球的電容地球：C0

700FNote:e.g.2.衡量電容性能指標(biāo)：電容的大小耐壓能力④串聯(lián)電容器組C1C2+Q-Q+Q-QU1U2特點：C1、C2電量相等,總電勢差U1+U2C+Q-QU1+U2等效于應(yīng)⑤并聯(lián)電容器組+Q１-Q１U+Q２-Q２UC1C2特點：C1、C2上電勢差相等,總電量Q1+Q2C+(Q1+Q2)-(Q1+Q2)U等效于∵Q1+Q2=C1U+C2U應(yīng)=CU①注意電容器與電阻、彈簧等在串、并聯(lián)時計算方法的異同②實際上任意兩個導(dǎo)體間都有電容存在,稱為雜散電容(straycapacitance)Notes:[例4-2]平行板電容器,極板面積S,間距d.在兩板間插入一塊厚d

的金屬板,問:電容變?yōu)槎嗌?解：視為兩個電容器的串聯(lián)：d

dSd1d2[思考]①若金屬板的上下位置變化,結(jié)果？②若插入的是介質(zhì)板(

r),結(jié)果?§4.4靜電場的能量(EnergyofElectrostaticField)1.帶電電容器的能量充電時,電源做功→電容器的靜電能；放電時,電場力做功→能量釋放.e.g.

CB帶電電容器的靜電能：2.靜電場的能量充電與放電→極板間電場產(chǎn)生與消失場的觀點：靜電能儲存于電場中體積電場的能量密度(單位體積中的能量)：(對任何電場都成立)電場的能量：[例4-3]金屬球半徑