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1、大学物理学,李中军电子科学与应用物理学院 合肥工业大学2011.09,主要内容有：静电场中导体空腔导体内外的静电场电容器的电容电介质及其极化电介质中的静电场有介质时的高斯定理 电位移电荷间的相互作用 电场的能量铁电体 压电体 永电体,第九章 导体和电介质中的静电场,1.导体 绝缘体 半导体1)导体(conductor)导电能力极强的物体(存在大量可自由移动的电荷) 2)绝缘体（电介质, dielectric）导电能力极弱或不能导电的物体3)半导体(semiconductor) 导电能力介于上述两者之间的物体,9-1 静电场中的导体,一、静电感应 静电平衡条件,导体中的自由电子在电场力的作用下作
2、宏观定向运动，引起导体中电荷重新分布而呈现出带电的现象，叫作静电感应。,2. 静电感应,3. 静电平衡状态,外加电场使导体内的电子定向移动，在导体两个侧面出现了等量异号的电荷，在导体的内部建立一个附加电场。 导体内部的合场强E 就是附加电场E和外加电场E0 的叠加。,当E R2 R1 ),板间电势差,圆柱形电容器的电容,圆柱越长，电容越大；两圆柱之间的间隙越小，电容越大。,用d表示两圆柱面之间的间距，当dR1 时,圆柱型电容器,电介质电容器,理论和实验证明,充满介质时电容,真空中电容,相对介电常数,一些电介质的相对介电常数,在电路中：通交流、隔直流； 与其它元件可以组成振荡器、时间延迟电路等；
3、 储存电能的元件； 真空器件中建立各种电场； 各种电子仪器。,计算电容的一般步骤为： 设电容器的两极板带有等量异号电荷； 求出两极板之间的电场强度的分布； 计算两极板之间的电势差； 根据电容器电容的定义求得电容。,4、电容器的作用,5、电容器电容的计算,特点：每个电容器两端的电势差相等,总电量：,等效电容：,结论：当几个电容器并联时，其等效电容等于几个电容器电容之和；各个电容器的电压相等；并联使总电容增大。,（1）电容器的并联,6. 电容器的并联和串联,特点 每个电容器极板所带的电量相等,总电压,等效电容,结论： 当几个电容器串联时，其等效电容的倒数等于几个电容器电容的倒数之和； 等效电容小于
4、任何一个电容器的电容，但可以提高电容的耐压能力； 每个串联电容的电势降与电容成反比。,（2）电容器的串联,并联电容器的电容等于各个电容器电容的和。,串联电容器总电容的倒数等于各串联电容倒数之和。,当电容器的耐压能力不被满足时，常用串并联 使用来改善。 串联使用可提高耐压能力 并联使用可以提高容量,电介质的绝缘性能遭到破坏，称为击穿。,所能承受的不被击穿的最大场强叫做击穿场强或 介电强度。,讨论,9-4 电介质及其极化,电介质：是指导电能力极弱的物质。主要特征是电子受原子核束缚很强，内部电荷不能做宏观位移。若把电介质放入静电场中，电介质中的电子和原子核在电场力作用下，可以在原子尺度范围内作微观的
5、相对位移。达到静电平衡时，电介质的内部或表面层会出现极化电荷，电介质内部的场强也不为零。,电介质要受到外电场的影响，即外电场与电介质发生相互作用。,1. 有极和无极分子及其电介质,有极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心不重合，如NH3, H2O和HCl。,原子的核式模型：电偶极矩为零,分子模型：电偶极子电偶极矩。,电偶极矩的方向杂乱无章，有极分子组成的电介质呈电中性,负电荷中心,正电荷中心,无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合。,电偶极矩等于零，无极分子组成的电介质呈电中性,单原子分子，如He等； 同核双原子分子，如H2、N2，O2等； 异核具有对称性的多原子分子如HCl4，CO2，CH
6、4等；,2、无极分子的极化机理位移极化,无极分子电介质在外电场作用下，分子的正、负电荷中心发生相对位移，形成电偶极子，在介质的表面层出现正电荷和负电荷。这种现象叫作位移极化。,处于外电场中的每个分子都有一定的诱导电偶极矩，在电介质与外电场垂直的两个表面上出现正电荷和负电荷极化电荷或束缚电荷。,3、有极分子的极化机理取向极化,当没有外电场时，等效为电偶极子的有极分子的排列是杂乱无章的，因而对外不显电性。,当有外电场时，每个电偶极子都将受到一个力矩的作用。,每个电偶极子在外电场力矩的作用下，方向转向和外电场方向趋于一致，在垂直于电场方向的两个表面上将产生正电荷和负电荷。这种现象称为取向极化。,注意
7、：有极分子在外场下也发生位移极化，但取向极化占主导！,4、极化电荷,在外电场中电介质端面出现束缚电荷的现象叫做电介质的极化。,电晕现象,在潮湿或阴雨天的日子里，高压输电线附近，常可以见到有浅蓝色辉光的放电现象，称为电晕现象。 电晕现象可以用水分子的极化和尖端放电来解释。,5. 电极化强度矢量,(1) 电极化强度引入,在没有外电场时，电介质未被极化，内部宏观小体积元中各分子的电偶极矩的矢量和为零；当有外电场时，电介质被极化，此小体积元中的电偶极矩的矢量和将不为零。外电场越强，分子的电偶极矩的矢量和越大。,(2) 电极化强度的定义,单位体积中分子的电偶极矩的矢量和叫作电介质的电极化强度。,(3) 关于电极化强度的说明,电极化强度用来表征电介质极化程度的物理量； 单位：C.m-2，与电荷面密度的单位相同； 若电介质的电极化强度大小和方向相同，称为均匀极化；否则，称为非均匀极化。,
