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1、1,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,2,1.导体 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 ) 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,3,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 带电粒子重新分布后，使周围空间的电场发生变化。,4,导体、半导体和绝缘体有着
2、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,5,1.电介质的极化 相对介电常数,法拉第试验：静电计测电压,电场被削弱：,相对介电常数,6,保持条件不变，插入导体。 静电计指示两板电位差减小。,导体,如何解释上述实验结果？,d,d,7,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，只能削弱总场E.,机制与导体有何不同？,介质情况,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,8,电介质分子偶极子模型,分子是电中性的，分子可看作一个电
3、偶极子，电介质可看作大量电偶极子的集合。,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”。,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”。,9,偶极子在外场中受的力矩和电势能,+q,-q,l, =0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态,10,有极分子：正负电荷重不重合,无极分子：正负电荷重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）,电介质分类,(H2O、HCl),11,有极分子：正负电荷重不重合,无极分子：正负电荷重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）,微观：固有电偶极矩 p0，(l=0)
4、宏观：中性不带电,(H2O、HCl) 微观：固有电偶极 矩p0，(l 0) 宏观：中性不带电,12,无极分子的位移极化,13,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,极化的效果：端面出现束缚电荷,14,有极分子的取向极化,15,极化的效果：端面出现束缚电荷,16,在外电场中的电介质分子有两种极化机制.,17,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,18,极化强度,极化前：介质内,极化后：在其内部任意一宏观体积V内,单位C/m,定义： 介质中某一点的电极
5、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。,描述电介质极化物理量,19,物理意义： 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,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,20,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）,电介质产生的一切宏观后果都是通过极化电荷来体现的。,极化电荷,21,极化电荷会产生电场附加场（退极化场）,极化电荷产生的场,外场：真空中电场，既无介质
6、时场,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） 平衡时总场决定了介质的极化程度,22,极化的后果,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,23,电极化强度P 总场强E,电极化率（介质性质，与场无关）,介质中的总场强(外电场束缚电荷电场),相对介电常数,只讨论各向同性、线性电介质。,方向相同（各向同性），成正比（线性）,24,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,以位移极化为例：,束缚电
7、荷面密度与极化强度的关系,25,电介质,表面 dS 出现的束缚电荷：,束缚电荷面密度：,26,为电介质表面极化电荷的面密度,为极化强度矢量与外法线方向的夹角。,通常定义介质外法线方向为正。,27,极化强度矢量P经整个闭合面S的通量等于因极化穿出该闭合面的极化电荷总量Q,普遍规律,根据电荷守恒定律，穿出S的极化电荷等于S面内净余的等量异号极化电荷Q,极化电荷与极化强度的关系,28,介质中的高斯定理,描述极化的几个物理量互相影响、互相制约，一个知道则都知道，而一个不知道均不知道,29,E 的高斯定理：,束缚电荷,，代入移项得,30,D 的高斯定理：,通过任意封闭曲面的电位移矢量的通量，等于该封闭面
8、所包围的自由电荷的代数和，与极化电荷无关,31,所以，D的分布一般也和束缚电荷有关。,因为,其中E是所有电荷共同产生的，P 与束缚电荷有关。,各向同性、线性介质 D、E、P 的关系,32,有介质时D的通量与闭合面内自由电荷的关系,理论地位：描述场的性质，有源无旋 不仅适用于介质，也适用于真空。 高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的，不能认为只与面内自由电荷有关 可以用来计算某些场分布（由对称性决定） 利用D- Gauss定理按以下路径求,33,有电介质时电场、束缚电荷的计算,34,电位移线及其特点：,电位移线有方向曲线，它满足（1）其切向就是电位移的方向，（2）其密度等于电位移的大小。
9、,电位移通量穿过某一有向曲面的电位移线的条数。,由电介质中的高斯定理，我们可以知道：电位移线总是起始于自由正电荷终止于自由的负电荷。,35,的比较,定义：,单位：,通量：,场线：,36,例1 求相对介电常数为r的无限大均匀电介质中点电荷q的场分布 用D-Gauss定理，球对称场，作球形Gauss面,介质内场强削弱了 倍,37,例2：两块靠近的平行金属板间距为 d , 极板面积为 S，面电荷密度分别为 0 和-0, 其间,插有厚度为 d 、电容率为 r 的电介质。求 ： . P1 、P2点的场强E；.两金属板间电势差,38,解： . 过 P1 点作高斯柱面, 左右底面分别经过导体和 P1 点。,
10、导体内 D=0,39,过P2点作高斯柱面, 左右底面分别经过导体和P2点。,40,I区：,II区：,.电势差U,41,例3 把一块相对电容率r =3的电介质，放在相距d=1 mm的两平行带电平板之间. 放入之前，两板的电势差是1 000 V . 试求两板间电介质内的电场强度E ，电极化强度P ，板和电介质 的电荷面密度， 电介质内的电位 移D.,42,解,r =3， d=1 mm， U=1 000 V,43,r =3， d=1 mm， U=1 000 V,44,例4 图中是由半径为R1的长直圆柱导体和同轴的半径为R2的薄导体圆筒组成，其间充以相对电容率为r的电介质. 设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为+和- . 求(1)电介质中的电场强度、电位移和极化强度； (2)电介质内外表面的极化电荷面密度.,45,解 (1),46,(2),47,例 5 一半径为a的导体球, 被围在内半径为b、外半径为c，相对介电系数为r 的介质同心球壳内，若导体球带电荷量为Q， 求 D(r)，E (r)和导体表面 电势.,48,解,49,50,51,带静电的梳子为什么能吸引水柱？,
