电磁学第三章例题

四川师范大学教案电磁学物理与电子工程学院课程名称电磁学授课专业物理学班级08级课程编号07060420211、2班课程类型必修课校级公共课（）；基础或专业基础课（√）；专业课（）选修课限选课（）；任选课（）授课方式课堂讲授（√）；实践课（）考核方式考试（√）；考查（）课程教学学时80学时学分5学分教材及主要参考书作者教材：《电磁学》（第二版），高等教育出版社，2004年参考书：1．《电磁学》（上、下册），人民教育出版社，1978。2．《新概念物理教程·电磁学》，高等教育出版社，1998。3．《物理学》（电磁学），上海科学技术出版社，1979。4．《物理学》（第二卷第一分册），科学出版社，1979。梁灿彬、秦光戎、梁竹健原著，梁灿彬修订赵凯华、陈熙谋赵凯华等复旦大学、上海师范大学物理系编哈里德·瑞斯尼克著，李仲卿译学时分配第一章静电场的基本规律（14+2学时）第二章有导体时的静电场（8+1学时）第三章静电场中的电介质（8+1学时）第四章恒定电流和电路（5+1学时）第五章恒定电流的磁场（11+1学时）第六章电磁感应与暂态过程（15+1学时）第七章磁介质（7+1学时）第九章时变电磁场和电磁波（4学时）2物理与电子工程学院章节名称第三章静电场中的电介质教学目的及要求使学生：（1）了解偶极子在电场中的受力情况，了解讨论电介质极化时所采用的“极化模型”及电介质极化机制，掌握极化强度矢量的意义；（2）在极化电荷概念的基础上，对电介质内部及表面上的极化电荷进行描述，并会求解电介质表面上的极化电荷面密度；（3）了解有电介质存在时场的讨论方法，掌握电位移矢量的意义及与电场强度矢量、极化强度矢量的区别和联系，会用电介质中的高斯定理计算电场；（4）掌握有介质时的静电场方程；（5）掌握电场能量、能量密度的概念并会求解电场的能量。教学重点与难点及处理方法重点：电介质极化的微观过程及宏观效果，有电介质存在时静电场的高斯定理及与真空中的高斯定理的区别与联系，电位移、电场强度及电场能量的计算难点：极化电荷体密度及面密度的推导过程，对有电介质存在时的高斯定理的理解及应用处理方法：课堂讲授、课后讨论、课后做习题等方式相结合讨论、练习、作业习题：3.4.1；3.4.5；3.4.63.5.1；3.5.3；3.5.93.7.1；3.7.2教学内容第一节概述：宏观(量)与微观(量)的关系第二节偶极子：电介质的特点，中性分子与偶极子，偶极子在外电场中所受的力矩，偶极子激发的静电场第三节电介质的极化：电介质的分类，位移极化与取向极化，极化强度的定义，极化强度与场强的关系第四节极化电荷：极化电荷的定义，极化电荷体密度与极化强度的关系，极化电荷面密度与极化强度的关系第五节有电介质时的高斯定理：电位移矢量的定义，有电介质时的高斯定理及其应用第六节有电介质时的静电场方程：真空中及介质中的静电场方程比较第七节电场的能量：场能密度的定义及能量的计算注：教案按授课章数填写，每一章均应填写一份。重复班授课可不另填写教案。教学内容须另加附页。3总结：1、EP0（1）极化率各点相同，为均匀介质（2）ipP各点相同，为均匀极化2、极化电荷体密度SSSdPSdPqdSdPq（1）对均匀极化的介质：0q（2）特例：仅对均匀介质，不要求均匀极化，只要该点自由电荷体密度0000q，则：，（第5节小字部分给出证明）3、极化电荷面密度nPPˆ122P、1P分别为媒质2、1的极化强度，nˆ为界面上从2→1的法向单位矢。当电介质置于真空（空气中）或金属中：nPnPˆnP：电介质内的极化强度nˆ：从电介质指向真空或金属的法向单位矢。例（补充）：求一均匀极化的电介质球表面上极化电荷的分布，以及极化电荷在球心处产生的电场强度，已知极化强度为P。--+++++++-----+OznP-θAR解：（1）求极化电荷的分布，取球心O为原点，极轴与P平行的球极坐标，选球表面任一点A（这里认为置于真空中），则：4AnPˆ由于均匀极化，P处处相同，而极化电荷的分布情况由Anˆ与P的夹角而定，即是θ的函数（任一点的nˆ都是球面的径向rˆ）AAAPnPcosˆ任一点有：cosP所以极化电荷分布：14023003022P右半球在、象限，左半球在、象限，左右两极处，，最大上下两极处，，最小（2）求极化电荷在球心处产生的场强由以上分析知以z为轴对称地分布在球表面上，因此在球心处产生的E只有z轴的分量，且方向为z轴负方向。在球表面上任意选取一面元Sd，面元所带电荷量dSqd，其在球心O处产生场强为：RRdSEdˆ420其z分量为：cos4cos20RdSEdEdz（方向为z轴负方向）全部极化电荷在O处所产生的场强为：20222000cos4cossincos4zSdSEdERPRddR52200000cossin12coscos423PddPdPE的方向为z轴负方向，大小为03P。例1：书P103例题1半径为R，电荷量为0q的金属球埋在绝对介电常量为的均匀无限大电介质中，求电介质内的场强E及电介质与金属交界面上的极化电荷面密度。介质εq0SPBnPE++++++++----R金属r解：（1）由于电场具有球对称性，故在介质中过P点作一个半径为r与金属球同心的球面S为高斯面，S上各点的D大小相等且沿径向，由高斯定理得：0SDdsq204rDq0022ˆ44qqDDrrr因ED，得：0020ˆ0ˆ4ˆ0qErqErrqEr，与同向,背离球心，与反向,指向球心6（2）在交界面上取一点B，过B点作界面的法线单位矢nˆ（由介质指向金属），则：0ˆˆBBPnEn而02ˆ4BqErR0024qR又0001故0000002244qqRR讨论：（1）0，故交界面上与0q（0）始终反号：0q为正，则为负；0q为负，则为正。（2）交界面上的极化电荷总量为：2004qRq即0qq：极化电荷绝对值小于自由电荷绝对值。（3）交界面上的总电荷量为：00rqqqq这说明总电荷减小到自由电荷的r1倍。（4）把介质换为真空，则场强为020ˆ4qrr，此式与前面有介质时的结果比较知：充满均匀介质时场强减小到无介质时的r1倍：02020414rqrqr例2（补充）：类似于P104例题27平行板电容器两极板面积S，极板上自由电荷面密度，两极板间充满电介质1、2，厚度分别为d1、d2，①求各电介质内的电位移和场强；②电容器的电容。+σ-σε1ε2S1S2d1d2E1D1E2D2AB解：（1）如图，由对称性知介质中的E及D都与板面垂直。在两介质分界面处作高斯面S1，S1内自由电荷为零，故有111210SDdsDSDS得D1=D2为求电介质中D和E的大小，作另一高斯面S2，对S2有：21221SDdsDSSD而2212111EDDED，11012202rrEE（2）正负两极板A、B间的电势差为：8221122112211ddSqdddEdEVVBA∴2211ddSVVqCBA（此电容值与电介质的放置次序无关）也可理解为两电容的串联：CdCdC222111SS，=结果例1：书上P112例题在均匀无限大电介质中有一个金属球，已知电介质的绝对介电常量为，金属球的半径和自由电荷分别为R及q0，求整个电场的能量。金属介质εRq0解：（1）电场的分布：前例已求出，介质中的电位移为：0202ˆ4ˆ4qDrrqErr而金属内部：00ED（2）场能体密度：2ED=202432qr整个电场的能量为：22024sin32qWdVrdrddr（=22024432Rqrdrr）9=22200221sin328RooqqdrddrR例2（补充）：平行板空气电容器，极板面积S，间距d，用电源充电后，两极板上带电分别为±Q。断开电源后，再把两极板的距离拉开到2d。求（1）外力克服两极板相互吸引力所作的功；（2）两极板之间的相互吸引力（空气的介电常量取为0）解法1：由静电能求解（1）两极板的间距为d和2d时，平行板电容器的电容分别为：10202SSCCdd极板间带电±Q时所储存的电能分别为：22212100122QQdQdWWCSS拉开极板后，电容器中电场能量的增量为：22102Qd由于电容器两极板间有相互吸引力，要使两极板间的距离拉开，外力必须作正功，而外力所作的功应等于两极板间电场能量的增量，即：2012QdAWS外（2）设两极板间的相互吸引力为F，拉开两极板时，所加外力应等于F，外力所作的功：AFdFF外外，而∴202AQFFdS外解法2：由电场的能量求解10两极板的间距为d和2d时，极板间电场大小为：1200QEES极板间场能体密度：2201122022EQS两极板间的电场为均匀电场，能量的分布也是均匀的，所以极板间整个电场的能量为：2111102QdWVSdS22202QdWSdS后面的计算与前面解法1相同。例3（补充）：计算一个球形电容器电场中所储存的能量。解：在半径为r的球面上（RA≤r≤RB）电场强度是等值的（方向沿球半径方向），取体积元（在电场区域）drrdV24，其中的电场能量为：drrEdVEdVdW222221全部电场中所储有的能量为：BARRRRRRQdrrrQdrrEdWWBABA11842222222211=CQRRRRQABBA2221421