场源电荷
静电场


静电感应 静电平衡
感应电荷
E? V
(下一页)
导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。
然而也有 另一类物质 电子被束缚在自身所属的原子核
周围或夹在原子核中间,这些电子可以相互交换位置,
多少活动一些,但是不能到处移动,这类就是所谓的
非导体 或 绝缘体 。绝缘体不能导电,但电场可以在其
中存在,并且在电学中起着重要的作用。
从电场这一角度看,特别地把 绝缘体 叫做 电介质 。
从它们在电场中的行为看:有 位移极化 和 取向极化 。
下面将逐一讨论。
从电学性质看 电介质的分子 可分为两类:
无极分子,有极分子。
(下一页)
§ 9-3 静电场中的电介质
一, 何谓电介质?—— 通常条件下的绝缘物质,
二, 提高电容器电容的一种方法 —— 填充电介质
电容 C0
电势差 V± 0



+q -q
电容 C
电势差 V±





+q -q
1
,1
1
0
0
???
??
?
?
r
r
C
C
V
V
?
?
?
电容提高了!







?
?
V
qC
(下一页)
电介质的电容率(又称为介电常数) ε
。212120 10854284 1 ??? ?????? mNCk??
有些介质(如各向同性均匀电介质),其介电
系数是常数;
====而有些介质其介电系数是与电场强度、空间方
向等因素有关的变量,一般是一个张量。
(下一页)
εr 称为 某种介质的 相对介电常数,又 称为相对电容率 。
真空的介电常数(真空的电容率 )
rr ????
??
0
0
,???
??? r?1
真空 εr = 1 导体 εr → ∞
三, 电介质的微观结构及其分类
电子云的
负电中心
正电荷的
等效中心
定义:分子电矩 ——
由分子(或原子)中
的正负电荷中心决定
的电偶极子的电偶极
矩,用 表示。
eP
?
(下一页)
2)有极分子类:分子内正负电荷中心不重合 ; Pe≠0 ;
1)无极分子类:分子内正负电荷中心重合; Pe=0 ;
C
H+
H+H+
H+
正负电荷
中心重合
甲烷分子 4CH
+
正电荷中心
负电荷
中心
H++H
O
水分子 OH2
eP
?
0?eP?
电介质的分类
0?eP
(下一页)
中性的电介质在外电场的作用下,体内或表面出
现净电荷的现象,称为 介质的极化 。
因极化产生的电荷称为 极化电荷,或 束缚电荷 ;
对于 各向同性、均匀电介质,极化电荷仅产生在介
质表面,介质内部处处无净电荷。
比较而言,导体所带的电荷称为 自由电荷,
四、介质的极化 ----外电场对介质的作用
下面研究的介质 ( 各向同性、均匀电介质 ) 满
足以下条件之一,
1)无限大电介质充满电场空间;或
2)电介质的表面为等势面。
(下一页)







电介质表面
是等势面
(下一页)
1)无极分子的位移极化
0?eP?无外电场时
?
eP
?
f f
l
外E
?
加上外电场后 0??eP?
(下一页)
e
?
+
+ ++
++
+
两端面出现
极化电荷层
外E
?
2)有极分子的转向极化
f?f?
外EPM e
??? ??
+
+ ++
++
+
外E
?
+
+
+
+
++
+
+
+
++ +
+
+
+
+
+
+
++
无外电场时,分子电矩的
取向是无规的。
外E
?
eP
?
加上外场
两端面出现
极化电荷层
转向 外电场eP?
(下一页)
3) 极化强度 ----单位体积介质中分子电偶极矩之
矢量和
V
p
P i
ei
V ?
?
? ??
?
?
0
l i m
0E
?
显然,P 值越大,表示极化程度越高。
4) 极化电荷面密度 ?‘ 与 极化强度 P 的关系:
单位是 [库仑 /米 2],[C/m2].
+
+ ++
++
+
外E
?
-
?‘
?‘
可以证明:在我们研
究的条件下有:
'??P
(下一页)



电容 C0
电势差 V± 0
+q -q
1
,1
1
0
0
???
??
?
?
r
r
C
C
V
V
?
?
?
电容提高了!







?? VqC /填




电容 C
电势差 V±
+q -q
极化电荷产生的退极化场使得介质内的场
强减小了,两极板间的电势差降低了,所以:
电容提高了!
(下一页)
电介质所能承受的最大电场强度 Eb 称为电介质的击穿场强,
此时两极板间的电压 Ub 称为电介质的击穿 电压。
对于平行平板电容器来说,击穿场强 Eb 与击穿 电压 Ub
的关系为
d
UE b
b ?
看 P72 表 9-1 几种常见电介质的相对电容率和击穿场强
从表中可以看出,除空气的 相对电容率近似等于 1 外,
其它电介质的相对电容率均大于 1 。 像乙烯、丙烯等材料,
由于其柔软性,可将它们卷成体积不大的圆柱形状,因此它
们是制造一般常用电容器的好材料。此外像钛酸钡锶,其相
对电容率可达 104,用它们可制造电容大、体积小的电容器,
从而有助于实现电子设备的小型化。
(下一页)
介质中的静电场
场源电荷
自由电荷 极化电荷
(下一页)
外来电场 E0 退极化电场 E ’
空间任一点
的电场:
E=E0+E’

(下一页)
介质外的场强 E0 不变,
介质内的场强 E 减小,
但不等于零!
问题, 如何计算有介质时介质内部的电场强度 E?



电容 C0
电势差 V± 0
+q -q





电容 C
电势差 V±
+q -q
1
,1
1
0
0
??
??
?
?
?
r
r
C
C
U
V
?
?
实验测得?
真空时,
dl
dVE 0
0
???
填满介质时,
dl
dVE ???
rV
V
E
E
rV
V
??????
?
?
?
? 000 ?
故有,
r
E
E
?
? 0
?
?
此式在我们
界定的介质
条件下是普
遍成立的,
(下一页)
当介质满足
( 1)无限大均匀各向同性介质充满电场空间; 或
( 2)各向同性均匀电介质的表面是等势面”
条件之一时:
计算电场强度的 一个 简单办法 是:
( 1)先假设介质不存在,计算出自由电荷产生的电
场强度 E0 ;
( 2)再利用以下公式:
电介质中,;0
r
E
E
?
?
?
? 无电介质处,0EE ?? ?
(下一页)
例题 1、求两种介质内的电场强度,
两导体板间的电势差及电容。
解,先假设介质不存在。则有:



布 两板间。
两板外;
,
,0
00
0
???
?
E
E
由公式,电介质中:
r
EE
?
0? 可得:




内;介质 1,10101 rrEE ??????
内。介质 2,20202 rrEE ??????
(下一页)
?? ??
d1 d2
1r?
2r?
S
内。介质
内;介质
2
1
,
,
20202
10101
rr
rr
EE
EE
????
????
??
??
两导体板间的电势差为:
???
?
???
?
?
?
??
????
?
2
2
1
1
0
2211
rr
dddEdEV
电容器的
电容为,??
?
?
???
?
?
?
?
????
? 1
1
1
1
0
rr
ddS
V
SC
可以证明:这相当于两个电容器的串联。
(下一页)
r?
R
2
04 r
QE
r???
??
例 2.已知导体球,R Q
介质为无限大,r?
求,? 球外任一点的 E?
? 导体球的电势 u
解,
导体球的
电势,? ?
? ?
???
R R r
dr
r
QrdEu
2
04 ???
??
R
Q
r??? 04
?
介质不存在时:
RrrQEE ???,2
0
00 40 ??导体球内;,
因为在电
介质中有:
r
EE
?
0? 从而可得:
(下一页)
我们还可以利用场强的叠加原理求得导体球周围
介质表面上的极化电荷量和极化电荷面密度
设极化电荷电量为 Q’,
其产生的场强为,2
0
'
'
4 r
QE
???
介质内的合场强为, E=E0+E’ ; 即
2
0
'
2
0
2
0 444 r
Q
r
Q
r
Q
r ???????
??
由此可得,极
化电荷量为,011' ????????? ???
r
QQ ?
极化电荷
面密度为, 2'' 4 RQ ?? ?
r?
RQQ?
(下一页)
§ 9— 4 电位移矢量
在真空中, ?? ??
iqSdE
0
0
1
?
??
在本讲限定
的介质中,
r
EE
?
0
??
? ??
?? ir qSdE
0
1
?
?
??
?? ?? ir qSdE ??0??
定义, 电位移矢量 EED
r
??? ??? ??
0
r???? 0
称为介质的介电常数。
(下一页)
自由电荷
电位移矢量
E?0?定义
?D?
,真空中;
Er ??? 0,介质中;
2
04 r
qE
???
2
04 r
qE
r???
?
点电荷
24 r
qD
??
电位移线
大小,
?S
电位移线条数D?
方向,切线
D?
a
aD
?
bD?
b
在真空中
产生电场
在介质中
产生电场
(下一页)
电位移的高斯定理 (有电介质时的高斯定理 ),
?? ?? i
S
qSdD ??
物理意义:穿过静电场中任一闭合曲面的电位移通量
等于该曲面内包围的自由电荷的代数和。
电位移通量用 表示:
DΦ ?? ????
i n s i d e
iSD qSD 0d
??
电位移的计算
.0 DEDE r ???? 求出电位移,再利用公式:先求得场强 ???
也可以先求电位移,再求场强。
?? ?? ir qSdE ??0??
(下一页)
S包围的
自由电荷
2
00 4 r
QDE
rr ???
?
??
??
解, 过 P 点作高斯面 S 得
? ??
S
QSdD ??
QrD ?? 24?
24 r
QD
??
导体球的电势:
? ?
? ?
?????? R R r drr
QrdEV
2
04
??
R
Q
r??? 04
?
(下一页)
例 3,已知,导体球 R Q
介质 r?
求,? 球外任一点的 E?
? 导体球的电势 V
r?
R
r P
S
R
Q
例 4,求电荷分布、场
强、电位移及电容。
1r? 2r?
S
d
q?
q?
1S 2S
1r? 2r?
S
d
q?
q?
1S 2S1? 2?
1?? 2??
﹢﹢﹢﹢

﹢ ﹢ ﹢

- - - -
-
- - -
-
解, 关键是把自由电荷
的分布 确定下来。
在介质 1内:
10
1
1
10
1
0
1
01 ;
rr
EEE
??
??
???
??
在介质 2内:
20
2
2
20
2
0
2
02 ;
rr
EEE
??
??
???
??
两极板间的
电势差为,ddEVddEV rr 20
2
22
10
1
11 ; ??
???
??
???
??
(下一页)
1r? 2r?
S
d
q?
q?
1S 2S1? 2?
1?? 2??
﹢﹢﹢﹢

﹢ ﹢ ﹢ ﹢
- - - - - - - - -
两极板间的电势差为:
ddEV
ddEV
r
r
20
2
22
10
1
11
??
?
??
?
??
??
?
?
?? ? 21 VV?
( 1 )
2
2
1
1
rr ?
?
?
? ??
再由电荷守恒有:
( 2 ) 2211 qSS ??? ??
联立 (1),(2)两式,得:
2211
2
2
2211
1
1;
SS
q
SS
q
rr
r
rr
r
??
?
?
??
?
?
?
?
?
?
(下一页)
1r? 2r?
S
d
q?
q?
1S 2S1? 2?
1?? 2??
﹢﹢﹢﹢﹢ ﹢ ﹢ ﹢ ﹢
- - - - - - - - -
2211
2
2
2211
1
1
SS
q
SS
q
rr
r
rr
r
???
?
??
???
?
??
)( 2211010
1
1 SS
qE
rrr ????
??? ??
)( 2211020
2
2 SS
qE
rrr ????
??? ??
)( 2211
1
1101 SS
qED
rr
r
r ???
?????
)( 2211
2
2202 SS
qED
rr
r
r ???
?????
)( 22110
1
SS
qd
dEV
rr ????
?
??
d
SS
V
q
C
rr )( 22110 ?????
?
?
(下一页)
本讲小结
1、电介质在电场中极化,表面产生极化电荷;
2、电介质内的场强减小,电介质外的场强不变;
3、电介质的插入会使电容器的电容增大,充满介质
===的电容器其电容变为原真空时的 ?r倍;
4、有电介质存在时场强、电势、电位移的计算:
1)首先确定自由电荷的分布;
2)据自由电荷的分布计算无介质时场强 E0 的分布;
3)据 E= E0/?r 确定场强的分布;
4)据 D= ? 0?r E确定电位移的分布;
(下一页)
作 业
P97 T9-19;
P99 T9-25。
Bye Bye!!!