《[化学]第五章 电介质》由会员分享,可在线阅读,更多相关《[化学]第五章 电介质(41页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第5章 静电场中的电介质,本章研究把电介质引进静电场中电介质与电场的相互作用规律,重点介绍电介质的极化规律,电容器的电容,静电场的能量。,2,第5章 静电场中的电介质,一、电介质及其极化 二、有电介质时的高斯定律 三、电 容器及其电容 四、电容器与电场的能量,3,它们又对立、又依存;,但又常常并用。,前 言,电介质就是电的绝缘体。,在概念上电介质与导体构成一对矛盾体。,在实际应用中,,它们的作用正相反,,也是电学中的一个十分重要的问题。,4,1. 电介质对电场的影响,电介质-绝缘体(塑料、橡胶、纯水等)。,特征-没有自由电荷,被电极化后影响原电场。,无电介质时,0、E0,有电介质时, 、E
2、,结论:电介质使原电场减弱。,实验表明:,一、电介质及其极化,5,极化-在外电场作用下电介质表面出现极化电荷的现象。,极化电荷与感应电荷的区别:感应电荷是导体静电平衡时的一种电荷分布,E内=0, 可移离开导体。,极化电荷是在分子范围内正负电荷移动的结果, , 不可移离电介质,数量少得多。,2.电介质的极化,6,3. 极化的微观机制,一.电介质分子可分为有极和无极两类,1.有极分子(polar molecule):,分子电荷的正、负“重心”分开,,极矩,,2.无极分子(nonpolar molecule):,极矩。,分子电荷的正、负“重心”重合,,。,如:He,Ne, CH4 ,具有固有电偶,无
3、固有电偶,7,电介质的电极化与导体有本质的区别:,电介质:,导体:,两种电介质放入外电场, 其表面上都会出现电荷。,电极化,面束缚电荷(面极化电荷),有极分子电介质,无极分子电介质,8,二、电极化现象,(1) 有极分子,取 向 极 化,可见:E外强,,端面上束缚电荷越多,电极化程度越高。,(2) 无极分子,电中性,位移极化,感生电矩,9,同样:E外强,p大,端面上束缚电荷越多,电极化程度越高。,1 对均匀电介质体内无净电荷,束缚电荷只出现在表面上。,2 束缚电荷与自由电荷在激发电场方面,具有同等的地位。,说明,10,三. 极化机制,1.位移极化(displacement polarizatio
4、n),对无极分子,2.取向极化(orientation polarization),对有极分子,11,对取向极化的说明:,由于热运动, 不是都平行于 ;,有极分子也有位移极化,,倒是主要的了。,要是取向极化,,但在高频场中,位移极化反,不过在静电场中主,4.极化强度,(1) 定义:,单位: 库仑米。,(2) 意义:量度电介质极化状态的物理量。对均匀电介质,P处处相同。,12,5.极化规律,当电介质处于极化状态时,一方面在它的体内出现电偶极矩,通过P描述,另一方面它的表面将有极化电荷产生。,由哪些因素决定?,(极化规律),结论:电介质产生的一切宏观后果都是通 过未被抵消的极化电荷来体现的。,13
5、,(1)极化面电荷,6.极化电荷与极化强度矢量的关系,圆柱体内分子电偶极矩的和为:,等效的大电偶极子的电矩为:,14,讨论:(a)极化电荷的正负,(b)极化电荷与场强关系,若非均匀电介质,极化的结果体内会出现极化体电荷。,15, 表面有极化面电荷, 介质内部有极化体电荷/,任何闭合曲面的极化强度 P的通量等于该曲面内的极化电荷总量的负值。,(2)极化体电荷,在非均匀介质中,电介质极化的结果为:,P与q/ 的关系为:,16,(3) 各向同性线性电介质极化规律,注意:线性各向异性电介质:P 与 E不在一个方向上。,电介质的电极化率,问题:有电介质存在时的电场问题如何计算?,17,带静电的梳子为什么
6、能吸引水柱?,18,二、有介质时的高斯定律,真空中高斯定律:,介质中:,自由电荷,极化电荷,19,引入 电位移矢量,- 介质中高斯定律,令,在各向同性线性介质中,有,通过任意闭合曲面的电位移通量,等于该闭合曲面所包围的自由电荷的代数和。,20,3. 有电介质时电场的计算,21,例1 金属球(q0,R), 浸埋在大油箱中(r),求球外的 及极化电荷分布。,解: (1),求 :, 求 :,取高斯面S,球对称;,r,22,分布于与金属交界处的油面上,(2),23,例2 一电量为q金属球,半径为R,外面包围一层厚度为d的电介质(r),求电场分布和介质内外表面的极化电荷分布。,解:因为E、D分布具有球对
7、称,分别取同心球面为高斯面,电场分布为:,24,介质壳内外表面的极化电荷分布:,25,三、 电容器及电容,1. 孤立导体的电容,比例系数C=Q/是一个与Q、无关的量,决定于导体本身性质,称为孤立导体的电容。,单位:法拉 F,电容C的物理意义:,C是使孤立导体的电势为1单位时导体所带的电量。C反映了导体储存或容纳电荷的能力。,例题:求半径为R的孤立导体的电容。,26,2.电容器的电容,有导体A、C、D,如何使A 的电势不受C、D的影响?,用导体空腔B把A屏蔽起来,腔内电场仅由A所带电量及A、B相对面的形状决定,A的电容不再受外界影响。,电容器:电容不受其他带电体影响的特殊导体组。,27,(1)
8、同心球形电容器电容,3. 电容器电容的计算,仅与电容器的几何性质有关,若两球壳间充有电介质(r), 则,28,(2) 平行板电容器电容,若两板间充有电介质(r), 则,29,(3) 园轴柱形电容器, 单位长度电容:, 充有电介质时:,30,4. 电容器的串并联,串并联目的-增大电容或提高耐压能力。,(1)电容器串联,特点:,结论:串联后的总电容小于任一个分电容,但耐压能力提高为分压之和。,-提高电容器的耐压能力,31,(2)电容器并联,特点:,结论:并联后的总电容等于各分电容之和,但耐压能力不变。,-增大电容器的的电容,32,(串联提高电容器的耐压能力),(并联增大电容器的电容),小结:,33
9、,例题 两个电容器C1:200PF、500V和C2:300PF、900V,把他们串联后加上1000V电压,是否会被击穿?,解:串联后的总电容:,每个极板所带电量:,C1上的电压:,C1上的电压大于额定电压, C1被击穿,C2也随之被击穿。,34,1.平行板电容器能量,四、电容器与电场能量, 电容器充电: 0Q,若再移动dq, 则外力克服电场力做功:, 最后, 电容器带电Q , 则外力作功共为:, 某时刻电容器带电: q,35,2. 静电场能量,能量密度,介质中:,真空中:,非均匀电场:,36,3. 电容器能量的变化,(1) 电容器结构的变化:,(2) 电容器中电介质的变化:,(3) 电容器连接
10、情况的变化:,串并,变化过程中条件的保持:,(1)Q不变(电容器充电后切断电源)(2)U不变(电容器始终与电源相连),变化原因,37,例 1 一平行板电容器, 充电后与电源保持连接, 然后使两极板间充满相对介电常数为 的各向同性均匀介质,这时两极板上的电量、电场强度、电场能量各是原来的多少倍?,解:充电后与电源连接U不变,38,例 2. A,B 为两个电容值都等于C 的电容器,已知A带电量为Q,B带电量为 2Q。现将 A,B 并联后,系统电场能量的增量,解 : 并联前,39,例 3 单芯电缆的芯半径为 r1=15 mm,铅包的皮的内半径为 r2= 50mm,其间充以 各向同性均匀电介质。求当电缆芯与铅包皮间的电压为U12=600V时,长为 L=1km 的电缆中储存的静电能是多少?,解 :电缆芯与铅包皮间的电场,40,静电能为:,41,作业:电磁学第5章 P1502、3、10、13、19,