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1、第 三 章 静电场中的电介质 （6学时）一、目的要求 1掌握电介质极化机制，熟悉极化强度、极化率、介电常数等概念。2会求解极化强度和介质中的电场。3掌握有介质时的场方程。 4理解电场能量、能量密度概念，会求电场的能量 。二、教学内容与学时分配 1电介质与偶极子（ 1学时） 2电介质的极化（1学时） 3极化电荷（ 1学时） 4有电介质时的高斯定理（1学时）5有介质的场方程（1学时）6电场的能量（1学时） 三、本章思路本章主要研究电介质在静电场中的特性，其基本思路是：电介质与偶极子电介质的极化电介质的极化规律 有介质的静电场方程 静电场的能量。四、重点难点 重点：有介质的静电场方程难点：电介质的极
2、化规律。五、讲授要点3.1 电介质与偶极子一、教学内容 1电介质概述 2电介质与偶极子3偶极子在外电场中受到的力矩4偶极子激发的静电场二、教学方式、 讲授 三、讲课提纲 1.电介质概述 电介质是绝缘材料，如橡胶、云母、玻璃、陶瓷等。特点：分子中正负电荷结合紧密，处于束缚状态，几乎没有自由电荷。当导体引入静电场中时，导体对静电场有很大的影响，因静电感应而出现的感应电荷产生的静电场在导体内部将原场处处抵消，其体内，且表现出许多特性，如导体是等势体、表面是等分为面、电荷只能分布在表面等；如果将电介质引入电场中情况又如何呢？实验表明，电介质对电场也有影响，但不及导体的影响大。它不能将介质内部的原场处处
3、抵消，而只能削弱。介质内的电场。2电介质与偶极子(1)电介质的电结构电介质原子的最外层电子不像金属导体外层电子那样自由，而是被束缚在原子分子上，处于事缚状态。一般中性分子的正负电荷不止一个，且不集中于一点，但它们对远处一点的影响可以等效为一个点电荷的影响，这个等效点电荷的位置叫做电荷“重心”。分子中电荷在远处一点激发的场近似等于全部正负电荷分别集中于各自的“重心”时激发的场，正负电荷“重心”重合在一起的称无极分子，如 H ,N ,CO 等。正负电荷“重心”不重合在一起的称有极分子，像SO ,H O,NH 等。这样一个分子等效为一个偶极子。 (2)偶极子两个相距很近，带等量异号电量的电荷系统叫做
4、偶极子+q -q 图3-1图3-2偶极子在外场中受到的力矩均匀外场中，但受到一个力矩：定义： 称为偶极子的偶极矩，上式可写为： 满足右手螺旋关系 Q、L可以不同。但只要其乘积qL相同，力矩便相同。此力矩总是企图使偶极距转到外电场的方向上去；非均匀外场中， 图3-3如摩擦事的笔头吸引纸屑，其实质就是纸屑在笔头电荷的非均匀电场中被极化，等效为偶极子，偶极子受到非均匀电场的作用力（指向场强增大的方向）而向笔头运动。偶极子的场中垂面上一点的场强：场点到的距离相等，产生的场强大小相等为：但它们沿垂线方向分量互相抵消，在平行于连线方向分量相等 ，故有：+q-q图3-4延长线上一点的场强向右，向左， 故总场
5、强大小为偶极子在空间任一点的场强图3-5分解电偶极矩为: 应用(1)、(2) 结果叠加得 ：偶极子中垂面上的电场当偶极子延长线上的电场说明：（1）偶极子在空间任一点的电场，取决于偶极矩（2）P在偶极子电场中的地位相当于q在点电荷电场中的地位，但与r的依赖关系不同。四、作业P115 3.2.2 3.2.33.2 电介质的极化一、 电介质的极化在外电场的作用下，介质内部（或表面上）出现束缚电荷的现象。1无极分子的位移极化无极分子的正、负电荷中心重合，加外场，其正负电荷等效中心将发生一定的相对位移而形成电偶极子，如图3-5所示，在均匀介质内部正负电荷相消，而在两端出现未被抵消的正电荷或负电荷，这种在
6、外电场作用下介质端部出现电荷的现象就叫 极化 。由于这些电荷不自由而被束缚在原子分子上，所以极化产生的电荷叫极化电荷或束缚电荷。对于上述极化是因电荷中心位移引起的，所以称作 位移极化 。 图3-62 有极分子的取向极化外场对有极分子的有力矩作用：，使转向/趋向外方向，使杂乱的各有向排列。越强，有向排列越好。各在方向取向取向极化。无序有序，各向同性取向优化。综述一般地，以上兼而有之，在有极分子介质中取向极化占优势。无论何种极化，外场都要对介质分子做功，即介质储能、耗能。至于分子电矩是固有的，还是感生的，对产生附加电场并无两样，在这个意义上可不予区别。以后常用位移极化微观模型来研究问题。二、 极化
7、强度矢量 对于介质极化的程度和方向，可以用极化强度矢量 P 来描述，它是某点处单位体积内因极化而产生的分子电矩之和，即 为介质中所取的物理小体元（可看作一个宏观点），其中包含大量分子。的物理意义即：介质中某点单位体积内所有分子电偶极矩之矢量和。说明(1)是空间矢量点函数，介质中不同点一般不同。若，即不随空间变，则称介质均匀极化；可能的情况：真空中无介质分子，谈不上极化；导体中，谈不上极化；有介质但未极化等。 (2) 若介质均匀，则指,而一般地。(3) 的单位：。(4) 设介质内某点 附近单位体积内介质分子数为，按统计平均看，当作各分子大小相同且方向排列整齐，有： 三、极化电荷介质极化出现实际存
8、在的电荷极化电荷，而描述介质极化情况，故二者必有联系。下面研究 1、以位移极化为例推导公式：介质内任取体积V，其周界面为S。如图3-6取体元：，则中介质分子极化后通过面元穿出电量为S界面图3-7图3-8根据电荷守恒定律，正电荷留于内，故内净电荷为对于整体V、S有 或写成常用形式上式表明：矢量为有源场，其线之源为负的极化电荷，也可写成：其中V为S所围，为极化电荷体密度。若均匀极化，则常矢，有。2、极化电荷面密度在介质表面上，因极化电荷不能穿出表面S，故相对集中面分布。表面电荷厚度用斜高表示为：。取面元，如图3-8所示，此厚度上净电荷所以四、退极化场介质处于外场中发生极化，出现极化电荷，在空间激发
9、场退极化场，故介质中总场为一般地，随点而异，且处处与方向相反，但，故只能削弱外场，而不能完全抵消外场（导体情况可以完全抵消外场），所以，介质中：。极化过程描述如下：可见，决定介质极化程度和状态的是介质中的总场。五、电介质的极化规律介质中合场决定极化强度，与的关系如何即极化规律。不同物质的关系是不同的，需由实验确定。 对于线性介质，与成正比，其极化规律为表示成矩阵形式为 其中各系数与场无关。再若介质为各向同性的，则，有 有 即值得指出：公式中的为介质中总场。与无关，与介质种类有关，是介质材料属性的反映，是一个纯数。与属同一类量，有表可查。如与坐标无关，则为均匀介质。六、例题例1：试解释经丝绸摩擦
10、过的玻璃棒可吸引轻小物体。解答：玻璃棒经摩擦带有电荷，在空间产生非均匀电场，轻小物体为电介质，它在非均匀电场中极化而产生极化电荷，轻小物体所受的电场力指向电场线较密的方向，所以它被吸引而向玻璃棒运动。 例2：均匀极化强度为的介质球，其半径为，求分布。解：因为介质球均匀极化，所以，极化电荷只能出现。如图3-9，有可以证明：球面电荷按谐和函数分布，在球内产生的电场为均匀场。例如，求O处图3-9图3-10x对称分析知：合场方向与反向, 即（-）方向，且。例3、如图3-10平行板电容器，极板带自由电荷，其内充满均匀介质，极化率为，试求充满介质时的、与未充介质时的相应物理量、的关系。(恒定Q)解： 、；
11、 ，又，代入上式右端，并令，有：。 ，其中。 ，即； 。又，故：。在电介质中任选一面元设 P与dS的夹角为，在位移极化中正负电荷相对位移为 l, 则在极化过程中穿过dS 的极化电荷 由此可得对于任一闭合曲面就有 这表明，穿出任意闭合曲面的电极化强度的通量，等于这个闭合曲面所包围的极化 (束缚)电荷。四、作业P115 3.2.2 3.2.3 3.4.2 3.4.53.4 有介质的高斯定理介质存在时,场源有两部分对应的场方程均有形式，而，则总场的闭面通量为： 该式即为介质中的高斯定理。但该式的右端极化电荷不易实验上测量，惯常回避之，间接地得到它。为此，运用代入上式，得引入辅助物理量：电位移矢量(e
12、lectric displacement)则高斯定理为 讨论1、表述的优越性。右侧不含极化电荷，对高斯面的通量仅与其内自由电荷有关；用描述电场，线起自正自由电荷，止于负自由电荷；当问题具有某种对称性时，可由高斯定理求解，物理思路是：先求再求再追究极化电荷分布等。2、是辅助物理量，无物理意义。是、不同量之叠加，与同量纲；仅由表示，并不意味着仅与有关，这因与并非直接关系。对于各向同性线性介质：，有式中: 相对介电常数，无量纲，；绝对介电常数，与同量纲。常用关系：。除介质参数外，三者知其一即可求出其它。 对于真空中 对于导体中 ,因为。3、的物理意义。、反映介质极化难易程度，即表示介质在一定场强下的
13、极化能力。结合均匀介质可从以下几方面认识： (1) 从充满均匀介质电容器的电容看 , 电容增大倍，。(2) 从各向同性线性介质充满电场区域看 或 （均匀介质才成立） （非均匀介质也成立） 与对比 与对比 （介质中）此为一般式 （真空中） （谈源） （谈场） ， 或：即： 表明：介质极化电荷对自由电荷的场有一定屏蔽 表明：有介质时出现，作用。上述右侧有，而左侧有，可见 它激发的对场介质对场影响又可通过反映。 有部分抵消作用。上述出现，其物理意义为：介质中的等于除去介质同样自由场源分布产生的的倍。 强调指出上述是有条件的，并非一般，可归结为如下常见的几情况： 要么均匀介质充满电场全空间； 要么不同均匀介质区之间分界面是等势面； 要么连续变化，但的等值面处处与等势面重合。例如，如图3-11。图3-11图3-12介质导体图3-12此时
