大学物理 电介质

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1、静电场中的电介质（DielectricInElectrostaticField）带静电的梳子吸引水柱§3-1静电场中的电介质所谓电介质，就是通常所说的由大量电中性的分子组成的绝缘体。在静电场中平衡时：1.内部电场强度不为零；2.电介质表面出现极化电荷。电介质出现极化电荷的现象，称为电介质极化。若把电介质放入静电场中，电介质原子中的电子和原子核在电场力的作用下，在原子范围内作微观的相对位移。在外电场中电介质要受到电场的影响，同时也影响外电场。1一、电介质的极化1.电介质的分类无极分子：分子的正负电荷中心±在无电场时是重合的，没有固定的电偶极矩，如H2

2、、HCl4，CO2，N2，O2,He甲烷、聚丙乙烯、石蜡等+-有极分子：分子的正负电荷中心在无电场时不重合的，有固定的KE电偶极矩，如H2O、HCl,CO,SO2,+环氧树脂、陶瓷等。+q分子构成电偶极子p=ql––q2.无极分子的极化机理——位移极化GE0H++-•----+++-+H•••cH++--+-++---++•++--+-+H-G-GE′无外场pi=0外场中(位移极化)G无极分子Gp≠0G∑pi=0i∑p≠0iii电介质出现束缚电荷和附加电场有外电场时，正、负电荷将被电场力拉KKlE开，偏离原来的位置，形成一个电偶极–+–+子，叫作诱

3、导电偶极矩。以致在电介质qq与外电场垂直的两个表面上出现正电荷和负电荷。——极化电荷或束缚电荷。23.有极分子的极化机理——取向极化G+E0H-+•-°104H+•+•G+有极分子oGE′p≠0无外场Gi外场中(转向极化)∑pi=0GGipi≠0∑pi≠0Gi统一描述:∑p≠0出现束缚电荷和附加电场i出现束缚电荷GGGGGiM=×→pEpE//当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用，电介质中的电偶极子将转向外电场的方向。在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。4.极化电荷在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表面要出现电荷

4、，这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。我们称它为束缚电荷或极化电荷。它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。在外电场中，出现束缚电荷的现象～电介质的极化。KKEE0无极分子0有极分子5、电晕现象在潮湿或阴雨天的日子里，高压输电线附近，常可以见到有浅蓝色辉光的放电现象，称为电晕现象。电晕现象可以用水分子的极化和尖端放电来解释。3金属导体和电介质比较金属导体电介质（绝缘体）有大量的基本无自由电子，正负电荷特征自由电子只能在分子范围内相对运动模型“电子气”电偶极子与电场的无极分子电介质:位移极化静电感应相互作用有极分子电介

5、质:转向极化静电平衡G内部：分子偶极矩矢量宏观导体内E=0,ρ=0和不为零∑pG≠0Gi效果导体表面iE⊥表面表面：出现束缚电荷感应电荷σ=ε0E（极化电荷）二、电极化强度(polarization)在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值，为了描述电介质在外场中的行为引入一个物理量：1.电极化强度矢量:单位体积内分子的电偶极矩的矢量和。KK∑pP=ΔSKΔVGG+++++++++++p：分子电偶极矩pqii=ri−σ'-----KKP：电极化强度εPrlσ'：极化电荷面密度+σ'+++++-----------∑pσ'ΔSlP===σ'ΔΔ

6、VSl4三、极化电荷对场强的影响处于静电场E0中的电介质由于极化而在其表面上产生极化电荷，极化电荷在空间产生的电场称为附加电场，用E′表示。KKK空间各处的电场强度EE=E+E'0在电介质内部，由于E′与E的方向相反，于是0有E=E−E′，在电介质内部的附加电场E′有一0个特殊的名称，叫做退极化场(depolarizationfield)。电介质对电场的影响相对电容率以平行板电容器为例,如果极板电容器上所带自由电荷面密度分别为+σ和−σ，实验表明：++++++++σ++++++++σεr-------−σ-------−σσE0E=E=0εε0rε

7、r相对电容率是一个大于1的常数，其大小随电介质的种类和状态的不同而不同χ=−ε1电极化率r令εχ=+(1)为相对介电常量（相对电容率）reε=εε0r～电介质的电容率5四、极化电荷与自由电荷的关系E0+++++++++++E=E−E'=0-----εrKKKεr−1dεrE0E'EE'=E0εr+++++-----------εr−1Q'=εr−1Qσ'=σ00εεrrKKE=σ/ε实验表明：P=（ε−1)εE000r0E=E/εχ=−ε1电极化率0rKrKP=χεEP=σ'0只限于讨论各向同性的均匀的电介质。+Q–Q+Q–Q一、电介质对电容的影响

8、研究：结构、形状一定的电容器，其电容C与极板间均匀的各向同性电介质之间的关系。•插入电介质前后，极板带电量Q不变，两极板间