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1、6-2-1 电介质的极化 一.两大类电介质分子结构：分子的正、负电荷中心在无外场时分子的正、负电荷中心在无外场时重合。重合。1. 1. 无极分子：无极分子：=CH4H2O分子的正、负电荷中心在无外场时分子的正、负电荷中心在无外场时不重合，分子存在固有电偶极矩。不重合，分子存在固有电偶极矩。2. 2. 有极分子：有极分子：=电偶极子电偶极子Pe分子电偶极矩（固有）分子电偶极矩（固有）HCl.Pe+HCl 无外电场时，无外电场时，分子正负电荷中分子正负电荷中心重合，介质不心重合，介质不带电。带电。+ 加上外电场后，在电加上外电场后，在电场作用下介质分子正负场作用下介质分子正负电荷中心不再重合，出电
2、荷中心不再重合，出现诱导（感生）电偶极矩现诱导（感生）电偶极矩ffep二二. .介质的极化：介质的极化：1.1.无极分子的位移极化无极分子的位移极化 加上外电场后，正负电荷中心分开，在介质的左右加上外电场后，正负电荷中心分开，在介质的左右两个端面上出现两个端面上出现极化电荷层极化电荷层。 无外电场时，由于无极分子正负电荷中心重合，无外电场时，由于无极分子正负电荷中心重合，介质任何部分都不出现净电荷。介质任何部分都不出现净电荷。+电介质的极化：电介质的极化：在外电场的作用下，介质表面产生在外电场的作用下，介质表面产生 电荷的现象。电荷的现象。极化电荷：极化电荷：由于极化，在介质表面产生的电荷称由
3、于极化，在介质表面产生的电荷称 为为极化电荷极化电荷或称或称束缚电荷束缚电荷。+2.2.有极分子的转向极化：有极分子的转向极化：+ 有极分子的电偶极矩在外电场中要受到一力矩作用。有极分子的电偶极矩在外电场中要受到一力矩作用。 在此力矩作用下，使电矩方向转向和外电场方向一致。在此力矩作用下，使电矩方向转向和外电场方向一致。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-Eo 无极分子在外场的作用下由于正负电荷发无极分子在外场的作用下由于正负电荷发生偏移而产生的极化称为生偏移而产生的极化称为位移极化位移极化。 有极分子在外场中发生偏转而产生的极化有极
4、分子在外场中发生偏转而产生的极化称为称为转向极化转向极化。 一般说来，分子在转向极化的同时，也还一般说来，分子在转向极化的同时，也还存在着位移极化。存在着位移极化。外电场：外电场：极化电荷产生的电场：极化电荷产生的电场：介质内的电场：介质内的电场：击穿：击穿：在强电场作用下电介质变成导体的现象。在强电场作用下电介质变成导体的现象。空气的击穿电场强度约为：空气的击穿电场强度约为： 矿物油的击穿电场强度约为：矿物油的击穿电场强度约为： 云母的击穿电场强度约为：云母的击穿电场强度约为： 6-2-2 极化强度 电极化强度电极化强度 是反映介质极化程度的物理量。是反映介质极化程度的物理量。没极化：没极化
5、：极化时：极化时：+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-Eo（分子电矩的矢量和）（分子电矩的矢量和）电极化强度定义：电极化强度定义：（C mC m-2 -2 ）实验表明：实验表明： 对于各向同性的均匀电介质，其中任对于各向同性的均匀电介质，其中任一点处的电极化强度与该点的总场强成正比一点处的电极化强度与该点的总场强成正比。 e ：介质的：介质的极化率极化率极化率极化率 e与电场强度与电场强度E无关，取决于电介质的种类。无关，取决于电介质的种类。电极化强度与极化电荷的关系：电极化强度与极化电荷的关系： 设在均匀电介质中截取一设在均匀电介质
6、中截取一斜柱体。体积为斜柱体。体积为 V。结论： 均匀电介质表面产生的极化电荷面密均匀电介质表面产生的极化电荷面密度等于该处电极化强度沿表面外法线方向度等于该处电极化强度沿表面外法线方向的投影。的投影。极化电荷带正电极化电荷带正电极化电荷带负电极化电荷带负电0 0x介质中的合场强介质中的合场强自由电荷的场强自由电荷的场强极化电荷的场强极化电荷的场强1. 1. 电介质中的静电场：电介质中的静电场：+6.2.3 6.2.3 有介质时的高斯定理有介质时的高斯定理 ：=rce1+相对介电常数与电极化率的关系相对介电常数与电极化率的关系极化电荷面密度与自极化电荷面密度与自由电荷面密度的关系由电荷面密度的
7、关系2.2.有介质时的场强环流定理：有介质时的场强环流定理：有介质时的电场是由极化电荷和自由电荷共同产生的。有介质时的电场是由极化电荷和自由电荷共同产生的。由于极化电荷所激发的电场也是保守力场，所以有：由于极化电荷所激发的电场也是保守力场，所以有：有介质时，场强环流定理仍然正确。有介质时，场强环流定理仍然正确。在介质中的合场强在介质中的合场强 E E 为：为：3. 3. 有介质时的高斯定理：有介质时的高斯定理： 有介质时，上述高斯定理中的有介质时，上述高斯定理中的q q 应理解为所有应理解为所有电荷的代数和，既包括自由电荷，也包括极化电荷。电荷的代数和，既包括自由电荷，也包括极化电荷。封闭曲面
8、封闭曲面S所包围的自由电荷。所包围的自由电荷。 封闭曲面封闭曲面S所包围的极化电荷。所包围的极化电荷。 + + + + + +- - - - -高斯面上的极化电荷为高斯面上的极化电荷为高斯面内的极化电荷与面上的极化电荷极性相反高斯面内的极化电荷与面上的极化电荷极性相反面内的极化电荷的电量：面内的极化电荷的电量：电位移矢量：电位移矢量：介质中的高斯定理：介质中的高斯定理： 在静电场中，通过任意封闭在静电场中，通过任意封闭曲面的电位移通量等于该曲面所包围的曲面的电位移通量等于该曲面所包围的自由自由电荷的电荷的代数和代数和。4. D4. D、E E、P P 三矢量之间的关系三矢量之间的关系介电常数介
9、电常数只适用于各向同性的均匀介质。只适用于各向同性的均匀介质。放入介质时的放入介质时的 E E 线线未放入介质时未放入介质时 注意注意：因为介质表面有极化电荷，所以有：因为介质表面有极化电荷，所以有 E E 线起线起源于极化正电荷，也有源于极化正电荷，也有 E E 线终止于极化负电荷。介质线终止于极化负电荷。介质外场强有的地方削弱，有的地方加强。外场强有的地方削弱，有的地方加强。 而介质内部场强削弱，所以介质有部分屏蔽作用。而介质内部场强削弱，所以介质有部分屏蔽作用。的的 E E0 0 线线放入介质时的放入介质时的 D D 线线未放入介质时未放入介质时的的 D D0 0 线线 注意注意：因为介
10、质中无自由电荷，所以：因为介质中无自由电荷，所以D D线是连续的。线是连续的。D 线起源于自由正电荷线起源于自由正电荷 终止于自由负电荷或无穷远处终止于自由负电荷或无穷远处E 线起源于任何正电荷线起源于任何正电荷 终止于任何负电荷或无穷远处终止于任何负电荷或无穷远处D D 线和线和 E E 线的区别：线的区别：有介质时静电场的计算有介质时静电场的计算1. 根据介质中的高斯定理计算出电位移矢量。根据介质中的高斯定理计算出电位移矢量。2. 根据电场强度与电位移矢量的关系计算场强。根据电场强度与电位移矢量的关系计算场强。+d1d20rBCA+D1D2E1E2 例例1 1. . 一平行板电容器，其中填
11、充了一层介质，尺寸一平行板电容器，其中填充了一层介质，尺寸如图，介质的相对介电常数为如图，介质的相对介电常数为 r r 。D D1 1D D2 2, , ,E EE E1 12 2, ,；1. 1. 用高斯定理求：用高斯定理求：2. 求：求：dd120rBCA+-+D1Sdd10rBCA+S2说明：平板电容器中有说明：平板电容器中有n n层介质，则其层介质，则其D D相同相同00=dd12+r+dd120rBCA+D1D2EE12例例2 2. .在空气平行板电容器中，平行插入一块各向同性的在空气平行板电容器中，平行插入一块各向同性的电介质板，如图所示，当电容器充电后，若忽略边缘效电介质板，如图所示，当电容器充电后，若忽略边缘效应，电介质中的场强与空气中的场强相比较，应，电介质中的场强与空气中的场强相比较，有有
