《大学物理d电介质.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理d电介质.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,d,r,r d dr,2,内容,3,电介质绝缘体（无自由电荷）,4.1 静电场中的电介质 Dielectrics in Electrostatic Field,相对介电常数,变压器油：r2.24 钛酸钡：r103104 铁电体,E，U,电场被削弱：,4,束缚电荷 或 极化电荷,1.介质的极化 Polarization,在外电场作用下，介质表面感生出束缚(极化)电荷的现象,端面出现电荷,5,固有电偶极矩,极性分子(Polar molecule)极性电介质,例如 HCl、H2O、CO,分子正负电重心不重合 有固有电偶极矩,1030 Cm,电偶极子模型,6,分子正负电中心重合 无固有电偶极,非极
2、性分子(Nonpolar molecule),例如 H2、O2、CO2、CH4,7,加外电场：外场取向与热混乱运动达到平衡。,微观机制,取向极化 Orientation polarization,分子固有电矩在电场作用下择优取向,无外电场：固有电偶极矩热运动，混乱分布，介质不带电。,8,位移极化 displacement polarization,无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电,加外电场：,产生感生电偶极矩 主要是电子（云）移动,9,电介质中某点附近单位体积内分子电偶极矩的矢量和,宏观描述,定义：,极化强度,SI单位:C/m2,实验表明：对于各向同性介质，有,10,2.介质的击穿 di
3、electric breakdown,外电场很强时，大量分子离解，介质变成导体,介电强度(击穿场强)：,电介质所能承受的最大场强,11,*3.介质表面的束缚电荷 bound charges,n 单位体积内的分子数,每个分子的正电荷重心相对于其负电荷重心都有一个位移 l，各个分子的感应电矩都相同，电介质的极化强度为,以均匀的位移极化为例,均匀极化 电介质各处极化强度P大小和方向都相同,本次自学,12,*2.介质表面的束缚电荷 bound charges,(1)束缚电荷面密度,表面 dS 上的束缚电荷,分子数密度,某点束缚电荷面密度,13,*2.介质表面的束缚电荷 bound charges,于是
4、，,所以，,S表面的束缚电荷,14,4.3 的高斯定理,给定自由电荷分布，如何求稳定后的电场分布和束缚电荷分布？,电荷重新分布,存在介质时，静电场的规律：,给定自由电荷分布,电场,束缚电荷分布,电场重新分布,15,束缚电荷,，代入移项得,的高斯定理,1.的高斯定理 Gausss Law for,q0in,16,定义(引入)电位移矢量,通过任意封闭曲面的电位移矢量的通量，等于该封闭面所包围的自由电荷的代数和,的高斯定理,SI单位:C/m2,Electric displacement,17,各向同性介质,SI单位：,r(纯数),介质的相对介电常量(相对电容率),介质的介电常量(电容率),其中,：C
5、2/Nm2(同0),又称“有电介质时的高斯定律”,并且对任何电场都成立,Note:,18,19,3.定律的应用,在自由电荷分布和介质分布都具有很高对称性时,该定律、,20,例4-1,平行板电容器,板间充满电介质(r),极板上自由电荷面密度为,则介质中D=,E=。,解：,高斯面S：底面积为A的柱面,由对称性,介质中、方向垂直于板面,且分布均匀,21,于是,思考,介质中束缚电荷的场强？,为什么？,D=0E+P,0rE=0E+P,0(r-1)E=P,0(r-1)E=Pn=,22,类型：,平行板电容器,圆柱形电容器,球形电容器,1.电容器,由两个彼此靠近且互相绝缘的导体组成,4.3 电容器与电容 Ca
6、pacitors and Capacitance,23,2.电容C,表征电容器储存电荷和能量的能力,C的定义,C仅依赖于电容器的几何以及极板间介质的性质,SI单位：F(法拉)1F=1C/V,1F=10 6F,1pF=10 12F,Note:,24,C的计算,平行板电容器,板间为真空时：,25,板间充满某一介质时：,26,圆柱形电容器(单位长度的电容),设内筒半径为R1 外筒半径为R2,筒间为真空时：,27,若内筒改为实心柱,则电容值是否改变?,思考,筒间充满某一介质时：,(自验),28,球形电容器,球壳间为真空时：,(自验),球壳间充满某一介质时：,(自验),若内球壳改为实心球,则电容值是否改
7、变?,思考,29,令R2,则有,孤立导体球的电容,地球：C0700F,Note:,e.g.,30,串联电容器组,特点：,C1、C2电量相等,总电势差U1+U2,31,应,32,并联电容器组,特点：,C1、C2上电势差相等,总电量Q1+Q2,33,Q1+Q2=C1U+C2U,注意电容器与电阻、弹簧等在串、并联时计算方法的异同,实际上任意两个导体间都有电容存在,称为杂散电容(stray capacitance),Notes:,34,例4-2,平行板电容器,极板面积S,间距d.在两板间插入一块厚d的金属板,问:电容变为多少?,解：,视为两个电容器的串联：,35,思考,若金属板的上下位置变化,结果？,
8、若插入的是介质板(r),结果?,36,例4-3,两个电容器分别标有200pF(电容)、500V(耐压值)和300pF、900V。把它们串联起来,在两端加上1000V电压，问：它们是否会被击穿？,解：,=3/2,U1+U2=1000V,串联 Q1=Q2,C1U1=C2U2,U1/U2=C2/C1,U1=600V,电容器1被击穿,37,随后，1000V全加在C2上,电容器2也被击穿,思考,该电容器组所能承受的最高电压是多少？,若改为并联，则电容器组所能承受的最高电压是多少？,38,4.4 静电场的能量 Energy of Electrostatic Field,1.带电电容器的能量,充电时,电源做
9、功电容器的静电能；放电时,电场力做功能量释放,Flash:,e.g.,39,带电电容器的静电能：,2.静电场的能量,充电与放电极板间电场产生与消失,场的观点：静电能储存于电场中,40,电场的能量密度(单位体积中的能量)：,(对任何电场都成立),电场的能量：,41,例4-4,金属球半径R,带电量Q,求其静电能.,解：,解法一 视为带电电容器,解法二 计算静电场的能量,42,球内：E=0 W=0,球外：,rr+dr区域的能量：,整个电场的能量：,43,思考,将“金属球”改为“均匀带电球体”,结果？,44,电介质的极化,极化强度：,*束缚面电荷密度：,Chap.4 SUMMARY,现象：,微观机制：
10、,介质表面出现束缚电荷,取向极化、位移极化,介电强度（击穿场强）,=Pn,45,电位移：,的高斯定律：,典型应用：电荷及介质高对称分布情形(球、圆柱、平面等),46,电容,定义：,计算方法,串联：,并联：,设定QUC,47,平行板：,孤立导体球：,典型结果,带电电容器的能量,圆柱形电容器：,48,静电场的能量,能量密度：,场能：,49,(A),(B),(C),(D),Chap.4 EXERCISES,50,解：,U一定,E=E0,Ed=E0d,思考,若充电后与电源断开,再填充介质,结果？,51,电容器1和2串联后充电。在电源保持连接的情况下,把电介质插入2中,则1上的电势差；1上的电量；1的静
11、电能。（填增大、减小、不变）,解：,但 U1+U2一定,串联 U1/U2=C2/C1,插入介质 C2/C1,U1/U2,U1,52,Q1=C1U1,Q1,若电容器为并联,充电后与电源保持连接,结果？,若电容器为并联,充电后与电源断开,结果？,思考,若将“电源保持连接”改为“电源断开”,结果？,53,真空中,半径为R1和R2的两个导体球相距很远,则两球的电容之比C1/C2=；用细长导线将两球相连,则电容C=。,解：,相距很远各为孤立导体球,C1=40R1，C2=40R2,两球相连 等势,C1/C2=R1/R2,54,思考,两球相连相当于电容器并联而不是串联，为什么？,55,如图，一带电量为q的球形导体置于一任意形状的空腔导体中。若用导线将两者连接，则系统静电场能将(A)增加；(B)减少；(C)不变；(D)无法确定。,解：,连接前,腔内外均有电场。,连接后,腔内电场消失,腔外电场不变,静电场能减少。,(B),56,思考,若不用导线连接,而将空腔导体接地,结果？,
