§33 电介质的极化 §34 极化电荷
电磁学三
1 2 We CU 2
+Q
+
+
+
+
+
χ
§3-7 电场的能量
2、能量密度公式：
3、静电场能量的计算方法：
•等效电容器法 We •功能原理 •通过能量密度积分
1 2 1 1 2 we E DE D 2 2 2
+ + + + - RR- + ++ +3 - + + - + 2 +R r + -d + + q1 + r- - 1- q2+ + - + q1 + q1
0 (1 )
叫做电介质的介电常量
r 1 叫做电介质的相对介电常量 0 于是 D 0 r E E 上式是描写各向同性线性电介质中同一点的 D 和 E
之间的重要关系式。
例1、半径为R、电荷 q 0 为的金属球，放在介电常数为 的均匀无限大介质中， 求电介质中的电场强度 E 及电介 质与金属界面上的极化电荷面密度 解: 作高斯面，由介质中高斯定理，得
1
q
r
q
l
p 40 r 3
由于 r l
得到 E A
ql 40 r
3
§3-2 偶极子
以上公式说明，电偶极子在L的延长线上及中垂面上 激发的场强E取决于两个因素： 1…偶极子本身的偶极矩 p ql 2…场点与偶极子和距离 r 偶极矩 p ql 反映电偶极子的基本性质，是一个描 述电偶极子属性的物理量。电偶极矩的方向是由 q 指向 q
电介质的极化知识点
电介质的极化知识点电介质是一种具有不良导电性质的物质，能够在电场中极化，并且在极化过程中，电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
电介质的极化现象在电子学、物理学、化学等领域中具有重要的应用和理论意义。
本文将针对电介质的极化进行详细阐述，包括极化的概念、分类、极化机制等重要知识点。
一、极化的概念极化是指电介质在外加电场的作用下，内部发生的一种现象，即电介质内部的正、负电荷分离形成极化电荷。
当电介质处于无电场状态时，其内部的正负电荷呈均匀分布；而当外加电场存在时，正负电荷会发生位移，并在电介质两端形成极化电荷。
二、电介质的极化分类根据电介质极化的性质和机制，可以将电介质的极化分为以下几种类型：1. 电子极化电子极化是指电子在电场作用下发生位移，从而使得电介质发生偶极矩的现象。
在电子极化过程中，电子云相对于离子核的位移引起了正、负电荷的分离。
2. 离子极化离子极化是指电介质中的正、负离子在电场中发生位移，从而产生极化现象。
离子极化通常发生在电解质溶液中，当外加电场作用于电解质溶液时，正、负离子会向相反的方向运动，形成极化电荷。
3. 偶极子极化偶极子极化是指由于电介质内部存在着极性分子，这些极性分子在外加电场作用下，会使得电介质发生极化现象。
在偶极子极化过程中，极性分子的正负电荷偏移，从而形成极化电荷。
4. 空间电荷极化空间电荷极化是指电介质内部的自由电荷在电场作用下发生位移，从而形成极化电荷。
空间电荷极化通常发生在导体中，由于导体内部的自由电子可以自由运动，受到外加电场的作用，自由电荷会在导体表面积聚形成极化电荷。
三、电介质的极化机制电介质的极化机制决定了它在电场中的极化特性。
根据电介质的性质和结构，极化机制可以分为以下几种：1. 电子极化机制电子极化主要发生在电子绝缘体中，在外加电场的作用下，电子云发生位移，并与离子核产生相对位移，从而使电介质发生极化。
2. 离子极化机制离子极化机制主要发生在电解质溶液中。
电介质的极化课件
电介质分类
总结词
电介质根据其组成和结构可分为离子型、电子型和复合型三 类。
详细描述
离子型电介质由正负离子组成，在电场作用下离子会发生定 向移动形成传导电流。电子型电介质由自由电子组成，其导 电性类似于金属导体。复合型电介质则同时包含离子和电子 两种导电机制。
电介质性质
总结词
电介质的主要性质包括绝缘性、介电常数、介质损耗等。
详细描述
电介质的绝缘性是指其抵抗电流通过的能力，介电常数则反映了电介质在电场 作用下的极化程度，而介质损耗则是指电介质在电场作用下能量损耗的能力。 这些性质在电力系统和电子设备中具有重要的应用价值。
02
电介质极化原理
极化现象
01
02
03
极化现象
电介质在电场的作用下， 正负电荷中心发生相对位 移，从而在电介质中出现 的宏观电荷现象。
压电效应
压电效应是指电介质在受到外力作 用时，会在其内部产生电荷的现象 ，其特点是具有逆压电效应和正压 电效应。
极化机制
电子位移极化
取向极化
电子位移极化是指在外加电场的作用 下，电子受到电场力的作用而发生位 移，从而产生宏观电荷的现象。
取向极化是指在外加电场的作用下， 分子中的正负电荷中心发生相对位移 ，从而产生宏观电荷的现象。
分析不同电介质材料的极化特 性。
实验设备
电极
用于施加电场和测 量电位的电极。
测量仪器
用于测量电介质极 化率的测量仪器。
电介质样品
不同类型和性质的 电介质材料。
电源
用于提供实验所需 电压的电源。
实验装置
包括电容器、绝缘 支架、绝缘棒等组 成的实验装置。
实验步骤
01
介质的极化
r 总是大于1
下表给出了几种介质的相对介电常数的近似值
介 质
空 气 油 纸 有机玻璃
r
1.0 2.3 1.3~4.0 2.6~3.5
介 质
石 英 云 母 陶 瓷 纯 水
r
3.3 6.0 5.3~6.5 81
石 腊 聚乙烯
2.1 2.3
树 脂 聚苯乙烯
3.3 2.6
空间各点极化率相同的介质称为均匀介质，否则，称
qP
P dS PdV P
S
Nqd ds P ds P en ds
p
qsp
P dS P en
S
P en dS
S
sp
极化电荷体密度 极化电荷面密度
r 1 Q SP P en P er 2 r 4b 束缚电荷体密度： P P 0
介质外表面(r=b)的束缚电荷面密度：
p P sp P en
2、电位移矢量和电介质中的高斯定理 在真空中有 E / 0 ， 为自由电荷密度
在电介质中应为
1 E ( P )
p P
( 0 E P)
电位移矢量
由散度定理
0
令 D 0 E P
有
D
D dS q
S
介质中静电场的基本方程为
微分形式 积分形式：
D E 0
D dS q S E dl 0
l
3、介电常数
对于线性、各相同性的均匀介质
电介质的极化
•7.8 静电场中的电介质 7.8
交变电场
水、油分子反复极化
摩擦生热、 摩擦生热、共振
返回
退出
返回
退出
2. 无极分子
位移极化
微观表现： 无极分子在外场的作用下正负电荷中心 微观表现： 发生偏移而产生的极化称为位移极化 位移极化。 发生偏移而产生的极化称为位移极化。 原子、分子尺度。 原子、分子尺度。 宏观表现(均匀介质)：介质表面出现极化电荷(波炉加热的原理
静电场中的电介质
电介质 (Dielectric)，就是绝缘体 —无自由电 ， 无自由电 不导电。 子，不导电。
返回
退出
导体放入静电场中，…… 导体放入静电场中，
返回
退出
§7-8 静电场中的电介质
电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 电介质就是绝缘体，没有自由电子，不导电。 绝缘体放入静电场中，会产生什么作用呢 绝缘体放入静电场中，
±
有极分子： 分子的正、 有极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时不重 分子存在固有电偶极矩 固有电偶极矩。 合，分子存在固有电偶极矩。 p
-q +q
返回
退出
在无外电场时，无论哪种电介质， 在无外电场时，无论哪种电介质，整体都呈现 电中性。 电中性。为什么
分子排列杂乱无章 如果给电介质加上外场呢
极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷 极化电 极化：在外电场作用下，介质表出现净电荷(极化电 束缚电荷)的现象称电介质的极化 的现象称电介质的极化。 荷或束缚电荷 的现象称电介质的极化。
返回
退出
电介质的极化是怎样产生的呢 电介质的极化是怎样产生的呢 极化 *一、 电介质的电结构 一 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 无极分子： 分子的正、负电荷中心在无外场时重合。 不存在固有分子电偶极矩。 不存在固有分子电偶极矩。
电介质极化
电介质极化
电介质极化是物理学中一个重要的概念，指的是在电场的作用下，电介质中的电荷分布发生变化，导致物质内部形成电偶极矩而出现极
化现象的过程。
这种现象在我们的日常生活中也随处可见，比如说电
容器、电子电路等设备，都需要利用电介质的极化性质才能正常运作。
下面让我们更加深入地了解电介质极化。
电介质极化的原理可以通过研究宏观电荷体系得到：当电介质体
系中有正负电荷分布时，会出现电场，从而导致介质中原子或分子的
电子云被拉伸，让正负电荷分别分布在了介质的两端，形成了电偶极子。
这个过程就是电介质极化的实现过程。
电介质极化可以分为两种类型：电子极化和离子极化，其中电子
极化是由于电介质中的原子或分子电子云位移而形成的；而离子极化
则是由于电介质分子中的离子受到电场的作用而发生电荷分离所致。
电介质的极化性质在电学理论研究中发挥了不可忽视的作用。
通
过这种极化现象，我们可以建立起数学模型，来解释电介质内部的电
场分布特性、介质在交、直流电场中的响应特性、以及介质中信号传
输的能力等现象。
电介质极化还具有广泛的应用价值。
比如说，在电容器中，由于
电介质的极化作用，正负极板之间的电场会得到加强，从而实现对电
荷的储存；在通信技术领域中，也会使用电介质极化来实现信号检测
和处理等操作。
总之，电介质极化是电学领域中一个非常重要的概念。
了解电介质极化的原理和应用，对于我们更加深入地了解电学理论、掌握电学技术，具有十分重要的指导意义。
电介质的极化
§3.3 电介质的极化：
一、极化：在外电场的作用下，电介质所发生的变化称之。
二、位移极化：无极化分子的极化。
在外电场的力矩作用下，正负电荷的“重心”发生反向位移而分开的变化。
图
由0P = 变为0P ≠ 。
三、取向极化：有极分子的极化。
在外电场的力矩作用下，分子偶极矩发生转向（趋于和外电场方向一致）的变化。
由0i P =∑
变为0i P ≠∑。
实际上，从机理上分析，有极分子的极化，不是单纯的取向极化，由于电场力的作用，同时还有位移极化，只不过是谁大谁小的问题。
四、极化强度矢量P
1、P ：定量描述电介质极化程度的宏观物理量。
2、极化的实质：
不论是哪种介质，极化前0i P =∑
，而极化后，则0i P ≠∑ 。
即极化是分子极矩和由
零到非零的变化。
3、P 的定义：1m i
i P P τ==∆∑
τ∆为物理无限小体积。
因而： P
是宏观矢量点函数。
4、P 与E 的关系：
实验表明：在各向同性电介质中
0P E εχ=
χ：称为极化率，取决于电介质的性质。
当χ处处相同时，亦称为均匀介质。
各向同性：指P 与E 的关系式与方向无关。
各向异性中，用极化率张量描述。
第三章 电场中的电介质
注意： 是由介质2指向介质1 en
4.电介质外表面极化电荷面密度
ˆ dq P dS P dSn PndS
dq ˆ P n Pn dS
内
dS
P
面外
l
dS
ˆ P n
ˆ n
介质外法线方向
23
讨论：1）介质与真空界面
介质极化强度为 P2 ，真空
n
真空
极化强度为P1 0 ( P1
' P2 n P2n
pi )。 V
+
+
+
介质
n
2）介质金属界面
介质极化强度为 P2 ，金属内
电场为零，故极化强度 P1 0
金属
+
+
+
介质
' P2 n P2n
在极化的介质内任意作一闭合面S。
基本认识：
1）S 把位于S 附近的电介质分子分为两部分，
一部分在 S 内 ， 一部分在 S 外；
2）只有电偶极矩穿过S 的分子对
S内外的极化电荷才有贡献；
S
或被S截为两段的偶极子才对极化电荷有贡献。
17
1. 面元dS附近分子对面S内极化电荷的贡献
在dS附近薄层内认为介质均匀极化 以dS为底、长为l（偶极子正负电 荷的距离）作斜圆柱。 只有中心落在薄层内的偶极子才 对面S内电荷有贡献。所以，
E0
-
E 介质
+ + +
E E0 E
26
例1 平行板电容器 ,自由电荷面密度为0 其间充满相对介电常数为r的均匀的各向 同性的线性电介质。 0 0 求:板内的场强。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3. 电极化强度（Electric Polarization）
（1） 电极化强度矢量 单位体积内分子电矩的矢量和:
P
pi
V
总电场 （2） 空间任一点总电场
束缚电荷电场
E E0 E
极化率
（3）电极化强度与总电场的关系 P
自 场0 由E电荷电
（4）极化率与相对介电常数的关系 r 1
极化有何规律？
P
q'( ', ')
E E0 E'
描述极 化现象
三者从不同角度定量地描述同一物理现象——极化
三者之间必有联系，这些关系——电介质极化遵循 的规律
§3.4 极化电荷（ polarization charge)
电场的作用是电介质极化的原因，极化则反过来 对电场造成影响，这种影响之所以发生是由于电介质 在极化后出现一种附加的电荷（叫做极化电荷，有时 称为束缚电荷）激发的附加电场。
Pz z
0
0
②当 P = 恒矢量，均匀极化。
0
3.4-3 极化电荷面密度与极化强度的关系
l + ++++ eˆn
电介质 +++++
, 0
2
l 电介质
eˆn
, 0
2
在电介质的表面上，θ 为锐角的地方将出现一 层正极化电荷，θ 为钝角的地方则出现一层负极化 电荷，
电介质的极化程度不仅体现在P上，还体现在极 化电荷多少上，因此，极化强度矢量P和极化电荷之 间必定有内在联系。
3.4-1 极化电荷
如果说一个导体带电，是指导体失去或得到一些自由电 子,因而整个导体所有带电粒子的电量的代数和不为0。有时一 个导体电量的代数和为0（中性导体），在外场中出现等值异 号电荷，我们也可以说它局部带电。
在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩的 作用，电矩方向趋向于和外电场方向一致。
极化的后果
极化电荷 产生的附 加场
退极化场
E0 介质极化q'( 'e ) E'
影响
E E0 E'
退极化场E’
退极化场E’
由于附加场E’的出现,空间各点的场强重新分布 一般情况下:
在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱电介质内部 的电场。 在电介质外部：有些区域附加场与外电场方向相同，该区 域电场加强；有些区域附加场与外电场方向相反，该区域 电场被削弱。
q sP dS
这公式表达了极化强度P与极化电荷分布的一个普遍关系。
令ΔV缩为物理无限小,并以ΔV除上式两边,得极化电荷体密
度
P dS
s
P
(
Px
Py
Pz )
V
x y z
ÌÖ ÂÛ
①当
P
不是恒量时，
Px x
Py y
则分子电矩:
pi ql
n 设单位体积有 个分子，按定义，极化强度矢量
P npi nql
如图所示:在极化了的电介质内取一个面元矢量
ds=nds，计算因极化而穿过面元的极化电荷：穿过
ds的电荷所占据的体积是以ds为底、长度为l的一个
斜柱体。
此柱体的体积为 l dS ldS cos 因为单位体积
内正极化电荷数量为nq，故在此体积内极化电荷总
量为：
nql dS P dS
dS
eˆn
l
这也就是由于极化 而穿过ds的束缚电荷！
现在我们取一任意闭合面s，则P通过整个闭合面s的通量应 等于因极化而穿过此面的束缚电荷总量。根据电荷守恒定律， 这等于s面内净余的极化电荷的负值，即
pi 0
+H
无极分子（Nonpolar molecule） ：
每个分子的正负电荷“重心”在没
有外场时彼此重合。
pi
0
O l
负电荷 中心
+
+H
正电荷中心
2.电介质的极化（Polarization）
极化:在外电场作用下,在电介质内部或表面出现宏观电 荷的现象。极化电荷:由于极化而产生的宏观电荷
θ为钝角的地方 Pn 0, 0 ;
这与前面的分析结论一致。上式是介质表面极化电
荷面密度分布与极化强度矢量间的一个重要公式。
例 3.4-1 求均匀极化的电介质球表面上极化电荷的 分布，已知极化强度为P [解] 取球心0为原点，极轴与 P 平行的球坐标系。由
于轴对称性，表面上任一点A的极化电荷面密度σ/只
无论是极化电荷还是自由电荷，都按第一章所讲 的规律激发静电场。
以 q, , 分别表示极化电荷及其密度,
而以 q0, 0, 0 分别表示自由电荷及其密度。
3.4-2 极化电荷体密度与极化强度的关系
为了便于说明问题，我们以位移极化为模型，设
想 有介个质位极 移化l 时。，用每q个代分表子分的子正中电正中、心负相电对荷负的电数中量心，
表面电荷层的厚度是 l cos ，故面元ds上的极化电
荷为:
dq nql cosdS P cosdS
从而极化电荷面密度为:
dq dS
P cos
P
eˆn
这里 Peˆn Pn Pcos 是P 沿介质表面外法线n
方向的投影。此式表明θ为锐角的方， Pn 0, 0 ;
§3-3 电介质的极化
电介质（dielectric） ：电阻率很大,导电性能 很差的物质,可看作理想的绝缘体，无自由电荷。
电介质极化特点：内部场强一般不为零。
1. 有极分子和无极分子电介质
有极分子（Polar molecule） ：每个
分子的正负电荷“重心”在没有外场
时不 重合。 pi ql 0
如果说一块电介质在宏观上带电，这又指的是什么现象呢？
在这之前，我们知道电介质之间的互相摩擦，实现了电 子转移，分开后带电，其次电介质与带电导体接触带电。但 是，若一块电介质电量代数和为0也可实现宏观带电。
只要介质在外电场作用下发生极化，那么在介质 内部取一物理无限小体积ΔV，其中所包含的带电粒 子的电量代数和就可能不为0，这种由于极化而出现 的宏观电荷叫做极化电荷；把不是由极化引起的宏观 电荷叫做自由电荷。
y
1 OP
z
p
Px x
Py
y
Pz z
Px xห้องสมุดไป่ตู้
k
2
x
p1
P
eˆn
Px0
0
p2 Peˆn Pxl kL
Qp pLS P2 S 0
P1 eˆn2 P2 eˆn1
P1 eˆn P2 eˆn
S
(P2 P1)eˆn
eˆn1
媒质1
媒质2
eˆn2
eˆn
（1）媒质2是电介质而媒质1是真空
P2 eˆn P2n
（2）媒质2是电介质而媒质1是金属
P2 eˆn P2n
（3）两种媒质都是电介质
(P2 P1) eˆn P2n P1n
例着3轴.4线-2方一向圆极柱化的，电已介知质极，化截强面度积P为 沿S，x方长向为，L，且被P=沿kx （k比例常数），坐标原点取在圆柱的一个端面上，
如图所示，试求极化电荷的分布情况以及极化电荷的 总电量。
（1）无极分子的位移极化(Displacement polarization) 加上外电场后，在电场作用下介质分子正负电
荷中心不再重合，发生了相对位移,出现分子电矩。
（2）有极分子的取向极化(Orientation polarization)
无外电场时，有极分子的电偶极矩取向不同，整个 介质不带电。
与θ有关。因 eˆn与 P 的夹角为
故
P cos
A eˆn
P
O
Z
上式表明， 在右半球 0， 左半球 0
在两半球的分界线上（赤道线）θ=π/2 ， 0
在两极（极轴上的两点）θ=0 和π ，极化电荷面密
度最大。
讨论：两种媒质分界面上极化电荷的面密度