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电介质及其极化(完整)
发布时间:2020-05-09 16:15    文章作者:澳门葡京现场

  电介质及其极化(完整)_物理_自然科学_专业资料。大学普通物理电介质一节

  §9-4电介质及其极化 1.有极分子和无极分子电介质 2.电介质的极化 3.电极化强度 一、有极分子和无机分子电介质 电介质是电阻率很大、导电能力很差的物质。 在静电问题中,常把电介质看作理想的绝缘体 。 有极分子:分子的正电荷中心与负电荷中心不 重合。 H p N o H H Cl H P H P H ? ? 有极分子的等效电偶极矩:p ? qr e 整个电介质可以看成是无 数的点偶极子的聚集体。 虽然每个分子的等效点偶 极矩不为零,但不管从电 介质整体来看,还是从电 解质的某一小体积来看, 电解质是呈中性的。 + 无极分子:分子的正电荷中心与负电荷中心 重合。 无极分子的等效电偶极矩: 无极分子电介质整体也是呈 中性的。 ? p?0 二、电介质的极化 1、无极分子的位移极化 加上外电场后,在电场力作用下电介质分 子的正负电荷中心不再重合,形成一个电 偶极子,它们的等效电偶极矩P的方向都 沿着电场的方向。 ? E ? ? ? ? ? 无电场时 ? ? ? ? ? ? + + 有电场时 + + ? + + 电介质的两个和外电场强度 E 0 相垂直的 表面层里,将分别出现正电荷和负电荷。 这些电荷不能离开介质,也不能在电介质 中自有移动,我们称之为极化电荷。这种 在外电场作用下,在电介质中出现极化电 荷的现象叫做电介质的极化。 由于无极分子的极化在于正、负电荷中心 的相对位移,所以常叫做位移极化。 2、有极分子的取向极化 无外电场时,有极分子电偶极矩取向不同, 整个介质不带电。 在外电场中有极分子的固有电矩要受到一 个力矩作用,电矩方向转向和外电场方向 趋于一致。 ? E ? + + ? + ? 无电场时 + ? ? + ? ? ? ? 有电场时 + + + + 有机分子的极化就是等效电偶极子转向 外电场的方向,所以叫做取向极化。 一般来说,分子在取向极化的同时还 会产生位移极化,但是,对于有极分 子电介质来说,在静电场作用下,取 向极化的效应比位移极化的效应强得 多,所以有极分子的极化机理是取向 极化。 三、电极化强度 上面从分子的结构出发,说明了两类不同 的电介质的极化过程,这两类电介质极化 的微观过程虽然不同,但宏观的效果却是 相同的,都是在电介质的两个相对表面上 出现了异号的极化电荷,在电介质内部有 沿电场方向的电偶极矩。 1、电极化强度矢量 单位体积内分子电偶极矩的矢量和 ? P? ? ?P ?V 电极化强度的单位是 C/m 2 2、电极化强度与总场强的关系 ? ? P ? ? e? 0 E 式中的比例因数 ? e和电 介质的性质有关,叫做 介质的电极化率。 3、束缚电荷与电极化强度的关系: 电偶极矩 qL ? ? LdS ? 电偶极矩的矢量和 ? p ? ? LdS ? ?P dV l n 因斜柱体的体积为 dV ? dSLcos? ,按定义,电 极化强度P的大小为 ? ? p ? ? ? cos ? ? dS ? ? P, E ? ? ? ? ? p cos? ? pn ? n ? p 上式表明,电介质极化时产生的极化电 荷的面密度,等于电极化强度沿外法线 半径R 的介质球被均匀极化,极化强 度为P。 求:1) 介质球表面的分布;2) 极化电荷在球 心处的场。 解:1) 球面上任一点 ? ? ? ? ? P ? n ? P cos? dS P n ? 由此可知,右半球面上 ? ? ? 0 左半球面上 ? ? ? 处 , ? ? 0;? ? 0及? ? ?处 ,? 最 大 。 ? ? 2 2) 在球面上取环带? ? ? ? d? 2 2 x ?? ? 0 d? P ? x dq? ? ? ?2?R sin ? ? d? ? P2?R sin ? cos? ? d? 在球心处的场 dq? P dE? ? cos? ? sin ? cos2 ?d? 2 4?? 0 R 2? 0 P P 2 E? ? ? dE? ? ?0 sin ? cos ?d? ? 2? 0 3? 0 ? E ?沿x轴负方向。 §9-5电介质中的静电场 空间任一点的合场强E应该是 ? ? ? E ? E0 ? E 总电场 外电场 极化电荷所 激发电场 一、平行板电容器均匀电介质 极板间电介质中的合 场强E的大小为 ??0 ? ? + ? E0 ? ? ?? 0 E ? E0 ? E + + + + E ? E - ?0 ? ? ? ?0 ?0 电介质中的电极化强度为 而? p ? ?e? 0 E ? p 代入上式得 E ? E0 ? P ?0 ? E0 ? ? e E E0 E? 1 ? ?e 上式表明,在均匀电介质充满整个电场的 情况下,电介质内部的场强E为场强 1 的 1? ? 倍 。 e 两极板间的电势差 ? E0 ? 0d U ? Ed ? ? 0 (1 ? ? e ) 设极板的面积为S,则极板上总的电荷量为 q ? ? 0 s 极板间充满均匀电介质后的电容 为 q ? 0 (1 ? ? e ) S C? ? U d q ? ? 0S ? (1? ?e )C0 (1? ?e ) 即电容为两极板间是线的 倍。 由式? r ? C / C0得 ? r 和 ? e有如下关系 ? r ?1 ? ?e ? ? ? r? 0 ? (1? ?e )? 0 电介质内部场强减弱为外场的 1 / ? r 这一结论 并不普遍成立,但是电介质内部的场强减弱 却是比较普遍的。 二、均匀电介质球处于均匀外电场 放入电介质球前的均匀电场 ? E0 放入介质球后球内外空间合场强的分布 ++ + + + ++ ? E E? ? ? 3? 0 ? ? E?与 E0方向相反 P E ? E0 ? 3? 0 P ? ? e? 0 E 3 ?E ? E0 ?r ? 2 介质球内的场 强已经在例题中求 ? P 出为 ? ? ++ + + + ++ 靠近球的外部空间,上下 区域,合场强减弱;左右 区域,合场强增强。 ++ ++ + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + --L θ


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