清华大学 大学物理 电磁学课件-03电.ppt

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1、第五章（DielectricInElectrostaticField）静电场中的电介质带静电的梳子吸引水柱1△§5.1电介质对电场的影响§5.2电介质的极化§5.3有介质时静电场的规律△§5.4电容器及其电容△§5.5电容器的能量、有介质时的电场能量*△§5.6铁电体、压电效应前言本章目录2前言电介质就是电的绝缘体。正如导体一样，研究电介质与电场的相互作用，是电磁学的一个十分重要的问题。宏观上看起来是电中性的电介质，既能受到电场的作用力，也能改变原有的电场分布。这一切都起源于电介质的极化。3书P71表15.1列出了某些电介质§5.1电介质对电场

2、的影响极板电量不变时，在极间充满各向同性均匀+Q-QE-Q+QE0r介质的相对介电常数（relativedielectricconstant）它与介质种类和状态有关钛酸钡r=103104。真空电介质水（20℃，1atm）r=80，的r，电介质前后的场强关系为：空气r=1，4§5.2电介质的极化介质在电场中会被极化，导致极化电荷出现一.电介质分子可分为有极和无极两类1.有极分子（polarmolecule）：分子电荷的正、负“重心”分开，极矩，如:水，HCl，NH3…2.无极分子（nonpolarmolecule）：极矩。分子电荷

3、的正、负“重心”重合，无固有电偶具有固有电偶。如：He，Ne，CH4…5二.极化机制1.位移极化（displacementpolarization）对无极分子2.取向极化（orientationpolarization）对有极分子PPθEE6对取向极化的说明：由于热运动，不是都平行于；有极分子也有位移极化，倒是主要的了。三.极化强度（electricpolarization）定义极化强度矢量：这里V0是指宏观上够小，但微观上够大。要是取向极化，但在高频场中，位移极化反不过在静电场中主7场强E不太强时，在各向同性介质内有：e—电极

4、化率（polarizability）PE线性极化0四.极化电荷（polarizationcharge）1.极化面电荷以位移极化为例，设在电场力作用下正电荷在各向异性介质内，一般地说。向电场方向移动。8等效设单位体积分子数为n，则电介质P++++σ′电介质ds′P++++σnθdq小柱体l不被抵消电介质PE有抵消作用9[例]已知：介质球均匀极化，极化强度为求：。解：×PPσ′θ10带静电的梳子为什么能吸引水柱？11电介质q0q§5.3有介质时静电场的规律一.的高斯定理q内q0内′S又仍成立，在有介质时，因为与电荷有关，所以能改写如下而高斯定

5、理12令称为电位移（electricdisplacement）—的高斯定理对各向同性介质称介质的介电常数（电容率）（permittivity）于是有或称为电感（应）强度13电介质r=const.证：q内VS证明各向同性均匀介质内0=0处必=0。例114均匀介质壳r求：的分布。解：导体球内：导体球外：介质和导体球对称，选高斯面S，令其半径r>R1，(高)介质外：R1·q0O导体球R2Sr介质内：和均匀介质球壳R2、r[例2]已知：导体球R1、qo15下面求极化电荷q的分布：介质内部：介质内表面：rR1·q0OR216介质外表

6、面：E0R1R2r思考为什么曲线不连续？17二.静电场的界面关系1.界面的法向：（高）2.界面的切向：（环）1212183.对各向同性介质交界面若则①②若则121219§5.4电容器及其电容(capacitorandcapacity)本节全部自学。下面提出几个可供深入思考1.什么是分布电容（杂散电容、寄生电容）？它在实际问题中有何影响？如何减少影响？2.当电容器两极板带电量不是等量异号时，3.举出电容器的应用二、三例，说明应用原理。如何由定义C=Q/U来计算电容量？(Q取何值？)和调研的问题：20是否等于平板电容器的电容量？ab电容器与

7、金属盒之间是绝缘的。问：5.如图示的平板电容器，被一金属盒子包围，要求说明理由。从a、b端看进去，该系统的电容量4.什么是电容器的边缘效应？21一.电容器的能量UQ-Q+-+-总电能§5.5电容器的能量、有介质时的电场能量U=+--—极间电压22二.有介质时静电场的能量密度以平板电容器为例来分析：电场能量密度：-+UQ-QE23（包括各向异性的线性极化介质）在空间任意体积V内的电场能：对各向同性介质：可以证明，对所有线性极化介质都成立。在真空中：24第五章结束重要讨论：（教材83页第10行）场强相同时，介质里的电场能量密度是真空中的ε

8、r倍。25