高二物理竞赛课件：静电场中的电介质

1第七章静止电荷的电场§7-8静电场中的电介质HClHClOHHHHHNHeHHHCHCH42电容器小结电容：平行板电容器电容：并联：电压相同，电量分配与电容成正比串联：电量相同，电压分配与电容成反比......ABC1C2Cnq-qq-qq-qU1U2Un3第七章静止电荷的电场7.1物质的电结构库仑定律7.2静电场电场强度7.3静电场的高斯定理7.4静电场的环路定理电势7.5电场强度与电势梯度的关系7.6静电场中的导体7.7电容器的电容7.8静电场中的电介质7.9有电介质时的高斯定理电位移7.10静电场的能量*电介质的电结构*电介质的极化电极化强度

电极化强度与极化电荷的关系

介质中的静电场*铁电体压电体永电体4电介质导体与电场相互作用：电场可以改变导体上的电荷分布，产生感应电荷；反过来，导体上的电荷又改变着电场的分布。电介质：电阻率很大、导电能力很差的物质。主要特征：

分子中的电子和原子核的结合力很强，电子处于约束状态。（理想的绝缘体：忽略电介质的微弱的导电性。）电介质-Q+Q-Q+Q静电计静电计实验：相对介电常量（相对电容率）参考教材P298,表7-2电场强度减小到真空时的1/εr。（Why?）5电介质极化的微观机制电介质分为：无极分子、有极分子。(1)无极分子的位移极化

(He、H2、CCl4)在没有外电场时，整个分子没有电矩(教材P256)。在外电场作用下，每一分子产生感生电矩：；对于均匀电介质来说，其内部仍是电中性的；而两端带电

(极化电荷：不能离开电介质，也不能在电介质内部自由移动)。(2)有极分子的取向极化

(HCl、H2O)在没有外电场时，每一分子有固有电矩，矢量和=0。在外电场作用下，每一分子的电矩矢量和≠0；电介质两端出现束缚电荷。二者微观机制不同，但宏观总效果一样：中心为中性，表面有电荷.问题：任何电介质都存在电子位移极化效应？HClHPClHe思考题导体的静电感应与电介质的极化现象区别？导体：自由电荷，内部电场强度总为0；

电介质：束缚电荷，内部电场强度不为0.

电介质极化后分为两块，

然后撤除外电场，问：每块是否有净电荷？不会。67电极化强度矢量P电极化强度矢量：单位体积内电偶极矩矢量和。[库仑/米2]

目的：定量地描述电介质内各处极化的情况。电极化强度与场强的关系由实验，对各向同性电介质，

当电介质中电场E不太强时，有:

：某个分子的电矩。对非极性分子：

：电极化率(polarizability)(≥0)，决定于电介质性质。8电极化强度(P)与极化电荷分布的关系电介质极化后产生的一切宏观效应就是通过这些电荷来体现的.由电极化而越过dS面的总电荷：考虑电介质体内面元dS处的极化。以位移极化为例，设负电“重心”不动。

在电场作用下，dV=l分dScos

内所有分子的正电荷“重心”将越过dS面。

若前述dS

面元刚好取在电介质表面上，en

即电介质的外法线方向，则：:电介质表面外法线方向的单位矢量(方向：由电介质体内指向体外)极化电荷的面密度9例题7-27

由此可知，右半球面上左半球面上解：1)球面上任一点qPnSdx10例题7-27qPqdx解：2)在球面上取环带

在球心处的场强dE‘半径R

的介质球被均匀极化，极化强度为P。求：2)极化面电荷在球心处所激发的场强。11练习求：沿轴均匀极化的电介质圆棒上的极化电荷分布。已知电极化强度为P。nPn12电介质对电场的影响演示实验：将平行板电容器两极板接在静电计和地线之间，然后充电；静电计指针有一定的偏转：偏转角大小反映电容器电势差大小。撤掉充电电源后，将玻璃板插入电容器两极板之间；静电计指针偏转角减少：电容增大。(Why?)若用导体板代替玻璃板插入电容器中；电容增大效果更大。(Why?)初步结论：电介质引起电容增大的原因在于束缚电荷的极化。导体板引起电容增大的原因在于自由电荷的重新分布；13退极化场

14电介质极化过程

15铁电体、压电体、永电体

16铁电体、压电体、永电体压电体：某些离子型晶体的电介质(石英)，由于结晶点阵的规则分布，当发生机械变形时，产生电极化现象。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等。压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。

安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。

安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。17铁电体、压电体、永电体(永磁铁)永电体：有一类电介质，在外界条件撤销后，仍能长期保留其极化状态，且其电极化状态不受外电场的影响。100多年以前，法拉第就确信有这种物质，不过当时没有找到。1919年，日本科学家制造出了第一块永电体，

在博物馆里放了45年后，经测量，它带的电荷量只减少了约1/5。把熔化了的蜂蜡、树脂等不导电的物质放在电容器（两块金属板，中间用空气隔离开，就构成一个电容器）中，加上强