物理静电场中的电介质1PPT课件
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静电场中的电介质
r0
在国际单位制中，ε的单位为法拉每米（F·m–1）。
3．电介质的击穿
如果外电场足够大，电介质分子就会摆脱分子的束缚成为 自由电子，电介质的绝缘性被破坏而成为导体，这个过程称为 电介质的击穿，这个外电场的场强称为击穿场强。下表所示为 几种电介质的相对电容率和击穿场强。
1.3 电介质中的高斯定理
1.2 电介质的极化
电介质的极化是指在外电场作用下电介质表面产生极化电 荷的现象。其中，极化电荷又称束缚电荷，是指在外电场中， 均匀介质内部各处仍成电中性，但在介质表面出现的不能离开 电介质到其他带电体，也不能在电介质内部自由移动的电荷。
1．电介质极化的机理
由于组成电介质的分子结构不同，所以在外电场中极化 的微观机理也有所不同。对于无极分子，在外电场E0的作用 下，正、负电荷的中心被电场力拉开，使得正、负电荷中心 产生相对位移（这种极化称为位移极化），形成电偶极子。
由于受到外电场E0的作用，这些电偶极子的电偶极矩P 的方向将转向与外电场E0的方向一致。这样，在垂直E0方向 的介质两端表面就会出现正负电荷，如下图所示。
无外点场时，无极分子 正负电荷中心重合
外电场作用下，正负电荷 中心分离，形成电偶极子
电介质在垂直于外电场的 两端表面出现极化电荷
对于有极分子，无外电场时，虽然每个分子都有一定的电 偶极矩，但由于分子作无规则的热运动，所以各电偶极子的电 偶极矩的取向是杂乱无章的，对外不呈现出电性，如左图所示 但有外电场E0时，每个分子都受到一个力偶矩的作用。在此力 偶矩的作用下，有极分子的电偶极矩方向将转向与外电场基本 一致的方向，这种极化称为转向极化，其结果是电介质的两端 出现等量异号的电荷，如中图和右图所示。
物理学
静电场中的电介质
在国际单位制中，ε的单位为法拉每米（F·m–1）。
3．电介质的击穿
如果外电场足够大，电介质分子就会摆脱分子的束缚成为 自由电子，电介质的绝缘性被破坏而成为导体，这个过程称为 电介质的击穿，这个外电场的场强称为击穿场强。下表所示为 几种电介质的相对电容率和击穿场强。
1.3 电介质中的高斯定理
1.2 电介质的极化
电介质的极化是指在外电场作用下电介质表面产生极化电 荷的现象。其中，极化电荷又称束缚电荷，是指在外电场中， 均匀介质内部各处仍成电中性，但在介质表面出现的不能离开 电介质到其他带电体，也不能在电介质内部自由移动的电荷。
1．电介质极化的机理
由于组成电介质的分子结构不同，所以在外电场中极化 的微观机理也有所不同。对于无极分子，在外电场E0的作用 下，正、负电荷的中心被电场力拉开，使得正、负电荷中心 产生相对位移（这种极化称为位移极化），形成电偶极子。
由于受到外电场E0的作用，这些电偶极子的电偶极矩P 的方向将转向与外电场E0的方向一致。这样，在垂直E0方向 的介质两端表面就会出现正负电荷，如下图所示。
无外点场时，无极分子 正负电荷中心重合
外电场作用下，正负电荷 中心分离，形成电偶极子
电介质在垂直于外电场的 两端表面出现极化电荷
对于有极分子，无外电场时，虽然每个分子都有一定的电 偶极矩，但由于分子作无规则的热运动，所以各电偶极子的电 偶极矩的取向是杂乱无章的，对外不呈现出电性，如左图所示 但有外电场E0时，每个分子都受到一个力偶矩的作用。在此力 偶矩的作用下，有极分子的电偶极矩方向将转向与外电场基本 一致的方向，这种极化称为转向极化，其结果是电介质的两端 出现等量异号的电荷，如中图和右图所示。
物理学
静电场中的电介质
电介质-PPT课件
导体的静电感应过程
E0
加外电场---电子在电场力作用下运动
导体的 ' 外场 E 0
导体的静电感应过程
E0
感应 E ' 外场 E 0
导体的静电感应过程
q2
+ q1
q1 + q1
q 1+ q 2
三、静电平衡导体的表面场强
. dS = E s
=
. + S d E 内
0 +
. + S d E 表
E表 S +
. S d E 侧
0
E
1
0
q
i i
1
0
S
σ
E 0
S
有导体时静电场的分析方法
导体放入静电场中：
导体的电荷 重新分布
导体上的电荷分 布影响电场分布
b a
a、b在导体内部：
b
a
U0 E 0
a、b在导体表面：
Ed l 0 即 U 0 E d l
----静电平衡的导体是等势体
静电平衡条件：
用场强来描写： 1、导体内部场强处处为零； 2、表面场强垂直于导体表面。 用电势来描写： 1、导体为一等势体； 2、导体表面是一个等势面。
E0
感应 E ' 外场 E 0
导体的静电感应过程
E0
感应 E ' 外场 E 0
导体的静电感应过程
E0 E ' E E E ' 0 0
高二物理竞赛课件-7.8静电场中的电介质
2
n dS
x
9
例题 7-27
半径R 的介质球被均匀极化，极化强度为P。 求：2) 极化面电荷在球心处所激发的场强。
解：2) 在球面上取环带 d
d P
dE‘
x
dq 2 R sin Rd P cos 2 R2 sin d
在球心处的场强
dE
dq
4 0 R 2
cos
P
2 0
sin
cos2 d
若用导体板代替玻璃板插入电容器中；
(1) 无极分子的位移极化 (He、H2、CCl4)
由此可知，右半球面上 0 在外电场作用下，每一分子产生感生电矩：
；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
:电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)
铁电体、压电体、永电体
左半球面上 0
处， 0； 0及 处， 最大。
压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。 安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。 声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小 和符号随着声音的变化而变化。 安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在 空中。
16
铁电体、压电体、永电体 (永磁铁)
永电体：有一类电介质，在外界条件撤销后，仍能长期保留 其极化状态，且其电极化状态不受外电场的影响。
器的两块金属板分别带上正负电荷，两极间就产生从正极到负极的电场），不导电的蜂蜡、树脂与电场垂直的两表面就分别带上了正 负电荷。 3 静电场的高斯定理 电介质极化后分为两块，
' 然后撤除外电场，问：每块是否有净电荷？
电场强度减小到真空时的1/εr。 在没有外电场时，每一分子有固有电矩，矢量和=0。 电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。 铁电体、压电体、永电体 电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。 (2) 有极分子的取向极化 (HCl、H2O) §7-8 静电场中的电介质 并联：电压相同，电量分配与电容成正比 :电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)
n dS
x
9
例题 7-27
半径R 的介质球被均匀极化，极化强度为P。 求：2) 极化面电荷在球心处所激发的场强。
解：2) 在球面上取环带 d
d P
dE‘
x
dq 2 R sin Rd P cos 2 R2 sin d
在球心处的场强
dE
dq
4 0 R 2
cos
P
2 0
sin
cos2 d
若用导体板代替玻璃板插入电容器中；
(1) 无极分子的位移极化 (He、H2、CCl4)
由此可知，右半球面上 0 在外电场作用下，每一分子产生感生电矩：
；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
:电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)
铁电体、压电体、永电体
左半球面上 0
处， 0； 0及 处， 最大。
压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。 安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。 声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小 和符号随着声音的变化而变化。 安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在 空中。
16
铁电体、压电体、永电体 (永磁铁)
永电体：有一类电介质，在外界条件撤销后，仍能长期保留 其极化状态，且其电极化状态不受外电场的影响。
器的两块金属板分别带上正负电荷，两极间就产生从正极到负极的电场），不导电的蜂蜡、树脂与电场垂直的两表面就分别带上了正 负电荷。 3 静电场的高斯定理 电介质极化后分为两块，
' 然后撤除外电场，问：每块是否有净电荷？
电场强度减小到真空时的1/εr。 在没有外电场时，每一分子有固有电矩，矢量和=0。 电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。 铁电体、压电体、永电体 电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。 (2) 有极分子的取向极化 (HCl、H2O) §7-8 静电场中的电介质 并联：电压相同，电量分配与电容成正比 :电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)
(大学物理ppt)第 4 章 静电场中的电介质
第 4 章
静电场中的电介质
一、电介质对电场的影响 二、电介质的极化 三、电极化强度
四、极化电荷
五、D 的高斯定律
六、电容器和它的电容
七、电容器的能量
一、电介质对电场的影响
电介质也即绝缘体
特点是分子中正负电荷束缚得很紧，内
部几乎没有自由电荷，不导电，但在电场中会
受到电场的影响，反过来也会影响原有电场的
P
pi
V
P np
其中 n 表示电介质单位体积内的分子数。
三、电极化强度
2. 电极化强度与电场的关系
对 各向同性 的电介质，当电场不太强时， 试验表明：
P 0 ( r 1) E 0 E
其中 r 1 叫做电介质的电极化率。
四、极化电荷
1. 面束缚电荷
在介质中取一斜柱，长为 l ，则穿过 dS 面 的总正电荷为
dq qndV qnldScos
而 故 p ql， np P dq PcosdS
-q
e n
l
dS +q
面束缚电荷密度 dq P cos P e n dS
E
四、极化电荷
2. 体束缚电荷
穿过 dS面的总正电荷为 PcosdS P dS dqout 穿过整个封闭面 S 向外的 电荷应为 d qout P dS qout
S S
-q
e n
l
S
dS +q
E
留在封闭面 S 内的体束缚电荷应为 q in - q out P dS
二、电介质的极化 在电介质内部的宏观微小的区域内，正负电
静电场中的电介质
一、电介质对电场的影响 二、电介质的极化 三、电极化强度
四、极化电荷
五、D 的高斯定律
六、电容器和它的电容
七、电容器的能量
一、电介质对电场的影响
电介质也即绝缘体
特点是分子中正负电荷束缚得很紧，内
部几乎没有自由电荷，不导电，但在电场中会
受到电场的影响，反过来也会影响原有电场的
P
pi
V
P np
其中 n 表示电介质单位体积内的分子数。
三、电极化强度
2. 电极化强度与电场的关系
对 各向同性 的电介质，当电场不太强时， 试验表明：
P 0 ( r 1) E 0 E
其中 r 1 叫做电介质的电极化率。
四、极化电荷
1. 面束缚电荷
在介质中取一斜柱，长为 l ，则穿过 dS 面 的总正电荷为
dq qndV qnldScos
而 故 p ql， np P dq PcosdS
-q
e n
l
dS +q
面束缚电荷密度 dq P cos P e n dS
E
四、极化电荷
2. 体束缚电荷
穿过 dS面的总正电荷为 PcosdS P dS dqout 穿过整个封闭面 S 向外的 电荷应为 d qout P dS qout
S S
-q
e n
l
S
dS +q
E
留在封闭面 S 内的体束缚电荷应为 q in - q out P dS
二、电介质的极化 在电介质内部的宏观微小的区域内，正负电
静电场中电介质(共10张PPT)
自由电荷Q0和介质均呈球对称分
O--
-q
= 讨论: (1) 平板电容器(±Q)中充有均匀介质( r )，求 D与 的关系；
(1)电介质内正负电荷处于束缚状态, 在外电场作用下,束缚电荷只作微观的相对位移
H 自由电荷Q0和介质均呈球对+称分
布, 故 也为球对称分布
+
H+
+q
H O 布, 故 也为球对称分布
2、有极分子的取向极化
有极分子在外场中发生偏转而 产生的极化称为取向极化。
F
- + Eo
+
F
- p Eo
第六页，共10页。
三、静电场中的电介质
小结: (1)电介质极化现象∶在外电场作用下，介质表面 产生极化(束缚)电荷的现象。 (2)不论是有极分子还是无极分子的极化，微观 机理虽然不相同，但在宏观上表现相同。
在外电场的作用下，介质表面产生电荷的2现象称为电介质的极化。
(3)电介质内的电场强度。
(2)、无极分子： + + + + +
-----------
分子的正、负电荷中心在无外场时重
及
与各种因素均有关
合。不存在固有分子电偶极矩。 在外电场的作用下，介质表面产生电荷的现象称为电介质的极化。
+++++++++++
静电场中电介质
第一页，共10页。
电介质对电场的影响
B
+ + + + +
在平板电容器之间插 入一块介质板
E0
-- ---
实验发现:
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。
《电学》课件-第5章静电场中的电介质
ε πQ
=4 0
RB dr
r RA
2
Q
B
ε ++Q +
R+ 1+A
+
0 + ++
R2
=
Q
4π ε0
(
1 RA
1) RB
ε Q
C = UA U B
=
4π
R AR B
R 0 B
RA
讨论: 1. 电容计算之步骤：
E
UA UB
C
2. 电容器之电容和电容器之结构，几何
形状、尺寸有关。
3. 电容器是构成各种电子电路的重要器 件,也是电力工业中的一个重要设备。它的作 用有整流、隔直、延时、滤波、分频及提高
q
U外
=
q1 q
4pe0 r2
外球的电势改变为：
ΔU = U外
U2
=
r1q
4pe0
r2 2
=
(r1 2r2 ) q
4pe0
r2 2
2r2q
4pe0
r2 2
2. 点电荷q =4.0×10-10C，处在导体球 壳的中心，壳的内外半径分别为R1=2.0cm 和R2=3.0cm ，求：
（1）导体球壳的电势； （2）离球心r =1.0cm处的电势；
d
ε = ε0 εr
称ε为介电常数，或电容率。
有介质时电容器的电容不仅和电容器的 结构，几何形状、尺寸有关，还和极板间介 质的介电常数有关。
电介质的相对电容率和击穿场强
电介质
相对电容率 击穿场强
真空 空气 纯水 云母
1 1.00059
80 3.7~7.5
第三章静电场中的电介质
1 E ds ( q0 q)
s
0
s内
s内
q P ds
s内 s
1 1 E dS q0 q q0 P dS 0 0 S S
0 E P dS q0
四、 有介质时的高斯定理应用
令D 0 E P
S
引入辅助物理量：电位移矢量(electric displacement)
D 0E P
介质存在时高斯定理:
D ds q0
s s内
电位移矢量对任意闭合曲面的通量等于该曲面内所有自由 电荷的代数和。 二、电位移矢量D 1、定义：
(S )
_
E0
内
ds
l
P dS q
( S内)
V
S
外
V 内的极化电荷总量 q P ds s P d s 该点的极化电荷体密度 ' s V
'
P ds / V
' s
* 此式为各点极化电荷体密度和该点极化强度的关系。
q' , ' , ' 分别表示极化电荷、体密度、面密度 • q0 , 0 , 0 分别表示自由电荷、体密度、面密度
•
二、极化电荷体密度与极化强度的关系：
1、以位移极化为例 极化分子电矩
p分子
ql
S
E0
ds
单位体积有 n 个分子 极化强度矢量
l
0
P np分子 nql
D E
第七章静电场中的导体和电介质.ppt
5. 电介质对电容器电容的影响
C0 真空电容器的电容 C 电介质电容器的电容
C rC0 r 电介质的相对电容率
电介质的电容率 0 r
平板电容器的电容
CS
d
柱形电容器的电容 球形电容器的电容
2π l
C ln RB RA
C 4π RA RB
RB RA
三、电容器的连接 1. 串联
C1 C2 C3
1
4
Qa Qb 2S
2
3
Qa Qb 2S
a
b
1 2 3 4
S
Qa
Qb
即：相背面 等大同号， 相对面 等大异号。
§7-2 电容器 电容器的并联和串联
一、电容器 储藏电荷或电能的装置 实用电容器分类： 绝缘介质—— 空气、云母、陶瓷、电解液、
纸介、钛酸钡等
容量可变—— 固定、可变、微调
介电纸
2. 并联
C1
C2
q qi
V Vi
i
1 C
i
1 Ci
q qi i
V Vi
C Ci i
并联可变空 气电容器
例题 7-1 击穿电压为 U0 1.8104 V的两个纸
＋+q
＋
R＋＋A
-
- -q
-
-
C q 4π 0 RA RB
VA VB RB RA
总结：求电容器电容的一般方法
1) 设极板带电 q
2) 选高斯面，求 E ?
3) 求电容器两极板间电势差 V E dl
4) 由电容定义
C q V
4. 孤立导体的电容
球形电容器 C
q
4π 0 RA RB
-+ -+ -+ -+
12-3-4-静电场中的电介质-电介质中的电场-高斯定理-电位移PPT课件
（2）有极分子的电极化
3
有极分子本身就相当于一个电偶极子，在没有外电场时， 热运动导致电介质内部呈电中性。
当有外电场时，如果外场强不是很大，所有分子偶极子 不是很整齐地沿着外电场方向排列起来。
但随着外电场的增强，排列整齐的程度要增大。
无论排列整齐的程度如何，在垂直外电场的两个端面上 都产生了束缚电荷。
结论：有极分子的电极化是由于分子偶极子在外电场的作用 下发生转向的结果，故这种电极化称为转向电极化。
说明：在静电场中，两种电介质电极化的微观机 理显然不同，但是宏观结果即在电介质中出现束缚 电荷的效果时确是一样的，故在宏观讨论中不必区 分它们。
4
§12-4 电介质中的电场 高斯定理 电位移
一、电极化强度 (polarization)
大小可以表示为 p ( S)l
斜柱体的体积为 S l cos
极化强度的大小为
p
P
S l
S l cos cos 7
由此得到
= P cos = Pn , 或
P
n
表示极化电荷面密度等于极化强度沿该面法线
方向的分量。
为了得到极化强度与极化电荷更一般的关系,
在闭合曲面S上取面元dS，以dS乘以上式等号
d2
e2
电容器的电容：
Q
S
C
U AB ( d1 d2 )
e1 e2
以上两个例题的求解，都是绕过了极化电荷的 影响，通过电感应强度矢量D进行的，使问题 大为简化了。
22
例3: 平行板电容器两极板的面积都是S = 3.0×10-2 m2 ，相距d = 3.0 mm。用电源对电容器充电至电压U0 = 100 V， 然后将电源断
位移线，这样也就有电位移通量的概念。有介质存在时， 高斯定理陈述为：电场中通过某一闭合曲面的电位移通量 等于该闭合曲面内包围的自由电荷的代数和。
3
有极分子本身就相当于一个电偶极子，在没有外电场时， 热运动导致电介质内部呈电中性。
当有外电场时，如果外场强不是很大，所有分子偶极子 不是很整齐地沿着外电场方向排列起来。
但随着外电场的增强，排列整齐的程度要增大。
无论排列整齐的程度如何，在垂直外电场的两个端面上 都产生了束缚电荷。
结论：有极分子的电极化是由于分子偶极子在外电场的作用 下发生转向的结果，故这种电极化称为转向电极化。
说明：在静电场中，两种电介质电极化的微观机 理显然不同，但是宏观结果即在电介质中出现束缚 电荷的效果时确是一样的，故在宏观讨论中不必区 分它们。
4
§12-4 电介质中的电场 高斯定理 电位移
一、电极化强度 (polarization)
大小可以表示为 p ( S)l
斜柱体的体积为 S l cos
极化强度的大小为
p
P
S l
S l cos cos 7
由此得到
= P cos = Pn , 或
P
n
表示极化电荷面密度等于极化强度沿该面法线
方向的分量。
为了得到极化强度与极化电荷更一般的关系,
在闭合曲面S上取面元dS，以dS乘以上式等号
d2
e2
电容器的电容：
Q
S
C
U AB ( d1 d2 )
e1 e2
以上两个例题的求解，都是绕过了极化电荷的 影响，通过电感应强度矢量D进行的，使问题 大为简化了。
22
例3: 平行板电容器两极板的面积都是S = 3.0×10-2 m2 ，相距d = 3.0 mm。用电源对电容器充电至电压U0 = 100 V， 然后将电源断
位移线，这样也就有电位移通量的概念。有介质存在时， 高斯定理陈述为：电场中通过某一闭合曲面的电位移通量 等于该闭合曲面内包围的自由电荷的代数和。
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能削弱总场E.
电介质极化：电介质在电场作用下，其表 面甚至内部出现极化电荷的现象叫做电介 质的极化 机制与导体有何不同？
7
物理学
第五版
电介质分子偶极子模型
15-2电介质极化
每个分子负电荷对外影响等效为一 个静止的负电荷的作用。其大小为分子 中所有负电之和，这个等效负电荷的作 用位置称为分子的“负电重心”。
++ +
+
+
++
加外电场：外场取 向与热混乱运动达 到平衡。
+ + ++
+ +
+ +
+ +
++
+ + E外
+ +
极化的效果：端面出现束缚电荷
15
物理学
第五版
15-2电介质极化
在外电场中的电介质分子有两种极化机制.
E0
E0
l
无外场时所具有的电矩称为固有电矩。
在外电场中产生感应电矩（约是前者的10-5)。
表征介质在外电场作用下被极化的强弱程度
反映分子电矩的大小和空间有序化程度
P是一个宏观矢量点函数，介质中每一点 有唯一的极化强度，微观值无意义
宏观点是指宏观足够小，而微观足够大 的物体小体积，可近似于一个几何点。
真空中或导体内 P0
19
物理学
第五版
极化电荷
q'、'
15-2电介质极化
• 极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏 观的极化电荷 –可能出现在介质表面（均匀介质） –可能出现在整个介质中（非均匀介质）
物理学
第五版
1.电介质的极化
AB
E0
15-1 电介质对电场影响
相对介电常数
播放 动画
AB
介 质
法拉第试验：静电计测电压
电场被削弱：
E
E0
r
,
U
U0
r
r 1—相对介电常数
5
物理学
第五版
15-1 电介质对电场影响
如何解释上述实验结果？
保持条件不变， 插入导体。 静电计指示两板 电位差减小。
E0
0
导电能力极弱或不能导电的物质
分子中电子被束缚得非常紧，电子只能在 原子核附近运动，不能自由运动
理想电介质是良好的绝缘体，内部无自由 电子,具有束缚电荷
2
物理学
第五版
15-1 电介质对电场影响
物质具有电结构
当物质处于静电场中
– 场对物质的作用：对物质中带电粒子作用
–物质对场的响应：物质中的带电粒子对电 场力的作用的响应
平衡时总场决定了介质的极化程度
21
物理学
第五版
15-2电介质极化
极化的后果
P q' E E0 E'
描绘极化
三者从不同角度定量地描绘同一物理现象
——极化，之间必有联系，这些关系— —电介质极化遵循的规律
22
物理学
第五版
15-2电介质极化
电极化强度P ～ 总场强E
（ H2、N2、CH4等）
微观：固有电偶极矩 p＝0，(l=0)
宏观：中性不带电
pi 0
15-2电介质极化
有极分子：正负电 荷重不重合
(H2O、HCl) 微观：固 有电偶极 矩p0，(l
宏 0观) ：中pi 0
性不带电
11Biblioteka 物理学第五版无极分子的位移极化
15-2电介质极化
12
物理学
第五版
15-2电介质极化
非均匀电场中 F 0 （ 但一般 l 很小，E 近似均匀 ）
=0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态
9
物理学
第五版
15-2电介质极化
电介质分类
无极分子：正负电荷 重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）
H
HC H
H
有极分子：正负电 荷重不重合
(H2O、HCl)
H O. H
.
.
10
物理学
第五版
无极分子：正负电荷 重心完全重合
–带电粒子重新分布后，使周围空间的电场 发生变化。
3
物理学
第五版
15-1 电介质对电场影响
• 导体、半导体和绝缘体有着不同的电结构
不同的物质会对电场作出不同的响应，产 生不同的后果，——在静电场中具有各自 的特性。
• 导体中存在着大量的自由电子——静电 感应
• 绝缘体中的自由电子非常稀少——极化
4
电介质产生的一切宏观后果都是通过极化 电荷来体现的。
20
物理学
第五版
15-2电介质极化
极化电荷会产生电场——附加场（退极化场）
EE0E'
极化电荷产生的场
外场：真空中电场，既无介质时场
介质中总电场
附加电场不能完全抵消外电场（与导体不同）
极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互 制约，过程复杂——达到平衡（不讨论过程）
物理学
第五版
15-1 电介质对电场影响
依电荷在物质中移动的难易程度，将物 质分为
1.导体： 电阻率10-8-10-6之间 2.绝缘体(电介质)：电阻率106-1018之间
1
物理学
第五版
1.导体
15-1 电介质对电场影响
导电能力极强的物体
金属导体中存在着大量的自由电子
2.绝缘体(电介质)(如:He )
所有正电荷的作用等效一个静止正电荷的 作用，等效正电荷的位置称为“正电重心”。
分子是电中性的，分子可看作一个电偶极 子，电介质可看作大量电偶极子的集合。
8
物理学
第五版
15-2电介质极化
偶极子在外场中受的力矩和电势能
均匀电场中
-q
– 合力： F = 0
F-
E
– –
力能矩量：：WM ppEE
l
+q F+
E1
E3
E0
0
E0
d
B
导 体
E1 E2 E 3
d’
E2 0
U0 E0d UE0(dd')
6
物理学
第五版
15-1 电介质对电场影响
介质情况
+-+-++-+-++-+-++-+-+
E0
E
-+--+--+--+--+--+--+--+--
表面出现电荷－“束缚电荷”
束缚电荷的电场E′不能全部抵消E0，只
无极分子只有位移极化
有极分子有上述两种极化机制。不过在静电场 中,主要是取向极化; 在高频下只有位移极化。
16
物理学
第五版
15-2电介质极化
无极分子和有机分子极化，微观机理不 同，但宏观结果相同，效应相同
各向同性均匀介质极化，只在表面上产 生面束缚电荷
非各向同性均匀电介质，还可产生体束 缚电荷
17
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
pi
E外
l
+++++ +++++
+++++
E外
+++++
极化的效果：端面出现束缚电荷
13
物理学
第五版
有极分子的取向极化
15-2电介质极化
14
物理学
第五版
15-2电介质极化
无外电场：固有电偶 极矩热运动，混乱分 布，介质不带电。
物理学
第五版
15-2电介质极化
极化强度 —描述电介质极化物理量
极化前：介质内 pi 0
极化后：在其内部任意一宏观体积V内pi 0
定义：
介质中某一点的电极化强度矢量等于这一
点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。
P limpi
V0 V
单位C/m²
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物理学
第五版
P
limpi
物理意义： V0 V
15-2电介质极化
电介质极化：电介质在电场作用下，其表 面甚至内部出现极化电荷的现象叫做电介 质的极化 机制与导体有何不同？
7
物理学
第五版
电介质分子偶极子模型
15-2电介质极化
每个分子负电荷对外影响等效为一 个静止的负电荷的作用。其大小为分子 中所有负电之和，这个等效负电荷的作 用位置称为分子的“负电重心”。
++ +
+
+
++
加外电场：外场取 向与热混乱运动达 到平衡。
+ + ++
+ +
+ +
+ +
++
+ + E外
+ +
极化的效果：端面出现束缚电荷
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15-2电介质极化
在外电场中的电介质分子有两种极化机制.
E0
E0
l
无外场时所具有的电矩称为固有电矩。
在外电场中产生感应电矩（约是前者的10-5)。
表征介质在外电场作用下被极化的强弱程度
反映分子电矩的大小和空间有序化程度
P是一个宏观矢量点函数，介质中每一点 有唯一的极化强度，微观值无意义
宏观点是指宏观足够小，而微观足够大 的物体小体积，可近似于一个几何点。
真空中或导体内 P0
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极化电荷
q'、'
15-2电介质极化
• 极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏 观的极化电荷 –可能出现在介质表面（均匀介质） –可能出现在整个介质中（非均匀介质）
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1.电介质的极化
AB
E0
15-1 电介质对电场影响
相对介电常数
播放 动画
AB
介 质
法拉第试验：静电计测电压
电场被削弱：
E
E0
r
,
U
U0
r
r 1—相对介电常数
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15-1 电介质对电场影响
如何解释上述实验结果？
保持条件不变， 插入导体。 静电计指示两板 电位差减小。
E0
0
导电能力极弱或不能导电的物质
分子中电子被束缚得非常紧，电子只能在 原子核附近运动，不能自由运动
理想电介质是良好的绝缘体，内部无自由 电子,具有束缚电荷
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15-1 电介质对电场影响
物质具有电结构
当物质处于静电场中
– 场对物质的作用：对物质中带电粒子作用
–物质对场的响应：物质中的带电粒子对电 场力的作用的响应
平衡时总场决定了介质的极化程度
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15-2电介质极化
极化的后果
P q' E E0 E'
描绘极化
三者从不同角度定量地描绘同一物理现象
——极化，之间必有联系，这些关系— —电介质极化遵循的规律
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15-2电介质极化
电极化强度P ～ 总场强E
（ H2、N2、CH4等）
微观：固有电偶极矩 p＝0，(l=0)
宏观：中性不带电
pi 0
15-2电介质极化
有极分子：正负电 荷重不重合
(H2O、HCl) 微观：固 有电偶极 矩p0，(l
宏 0观) ：中pi 0
性不带电
11Biblioteka 物理学第五版无极分子的位移极化
15-2电介质极化
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15-2电介质极化
非均匀电场中 F 0 （ 但一般 l 很小，E 近似均匀 ）
=0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态
9
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15-2电介质极化
电介质分类
无极分子：正负电荷 重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）
H
HC H
H
有极分子：正负电 荷重不重合
(H2O、HCl)
H O. H
.
.
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无极分子：正负电荷 重心完全重合
–带电粒子重新分布后，使周围空间的电场 发生变化。
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15-1 电介质对电场影响
• 导体、半导体和绝缘体有着不同的电结构
不同的物质会对电场作出不同的响应，产 生不同的后果，——在静电场中具有各自 的特性。
• 导体中存在着大量的自由电子——静电 感应
• 绝缘体中的自由电子非常稀少——极化
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电介质产生的一切宏观后果都是通过极化 电荷来体现的。
20
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15-2电介质极化
极化电荷会产生电场——附加场（退极化场）
EE0E'
极化电荷产生的场
外场：真空中电场，既无介质时场
介质中总电场
附加电场不能完全抵消外电场（与导体不同）
极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互 制约，过程复杂——达到平衡（不讨论过程）
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15-1 电介质对电场影响
依电荷在物质中移动的难易程度，将物 质分为
1.导体： 电阻率10-8-10-6之间 2.绝缘体(电介质)：电阻率106-1018之间
1
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1.导体
15-1 电介质对电场影响
导电能力极强的物体
金属导体中存在着大量的自由电子
2.绝缘体(电介质)(如:He )
所有正电荷的作用等效一个静止正电荷的 作用，等效正电荷的位置称为“正电重心”。
分子是电中性的，分子可看作一个电偶极 子，电介质可看作大量电偶极子的集合。
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15-2电介质极化
偶极子在外场中受的力矩和电势能
均匀电场中
-q
– 合力： F = 0
F-
E
– –
力能矩量：：WM ppEE
l
+q F+
E1
E3
E0
0
E0
d
B
导 体
E1 E2 E 3
d’
E2 0
U0 E0d UE0(dd')
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15-1 电介质对电场影响
介质情况
+-+-++-+-++-+-++-+-+
E0
E
-+--+--+--+--+--+--+--+--
表面出现电荷－“束缚电荷”
束缚电荷的电场E′不能全部抵消E0，只
无极分子只有位移极化
有极分子有上述两种极化机制。不过在静电场 中,主要是取向极化; 在高频下只有位移极化。
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15-2电介质极化
无极分子和有机分子极化，微观机理不 同，但宏观结果相同，效应相同
各向同性均匀介质极化，只在表面上产 生面束缚电荷
非各向同性均匀电介质，还可产生体束 缚电荷
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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
pi
E外
l
+++++ +++++
+++++
E外
+++++
极化的效果：端面出现束缚电荷
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有极分子的取向极化
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15-2电介质极化
无外电场：固有电偶 极矩热运动，混乱分 布，介质不带电。
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15-2电介质极化
极化强度 —描述电介质极化物理量
极化前：介质内 pi 0
极化后：在其内部任意一宏观体积V内pi 0
定义：
介质中某一点的电极化强度矢量等于这一
点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。
P limpi
V0 V
单位C/m²
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P
limpi
物理意义： V0 V
15-2电介质极化