普通物理学第六版7-8

上页下页返回退出上页下页返回退出§7-8静电场中的电介质电介质：电阻率很大,导电能力很差的物质。电介质的特征：原子或分子中的电子与原子核结合力很强，电子处于束缚状态，一般可看作理想绝缘体。电介质的极化：当电介质处于电场中达到静电平衡时，在电介质的表面层或电介质体内会出现电荷，这种现象就叫电介质的极化。上页下页返回退出上页下页返回退出*一电介质的电结构有极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心不重合。它们相当于一对距离极近的等值异号点电荷，设它们的重心距离为l，等效电偶极矩为lqpe负电荷中心正电荷中心++H+HOl电介质分为两类:有极分子电介质和无极分子电介质。方向：由负电荷中心指向正电荷中心。上页下页返回退出上页下页返回退出OHH无极分子：分子的正电荷中心与负电荷中心重合。等效电偶极矩为零。如氦、氮、甲烷的分子。水、氨、一氧化碳、氯化氢等分子即为有极分子。HClHClHHHN有极分子电介质可看作大量电偶极子的聚集体，电偶极子方向杂乱无章的排列，所有电偶极子矢量和为零，电介质呈电中性。HeHHHCHCH4ppp上页下页返回退出上页下页返回退出*二电介质的极化1.无极分子电介质的位移极化加上外电场后，在电场作用下无极分子电介质分子正负电荷中心不再重合，发生相对移动,出现分子电矩。对均匀电介质，和电场方向垂直的两个面将分别出现正负电荷，这些电荷不能离开电介质，也不能在电介质中自由移动，称为束缚电荷或极化电荷。这种在外电场作用下在电介质中出现极化电荷的现象叫做电介质的极化。无极分子的极化在于正负电荷中心的相对位移，称为位移极化。上页下页返回退出上页下页返回退出0epe无外电场时fepf外El加上外电场后0ep极化电荷极化电荷+++++++外E上页下页返回退出上页下页返回退出上页下页返回退出上页下页返回退出2.有极分子的取向极化无外电场时，有极分子电矩取向不同，整个介质不带电。在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致,这种极化称有极分子的取向极化。++++++++++++++++++++无外电场时电矩取向不同上页下页返回退出上页下页返回退出ff外EpMe+++++++外E两端面出现极化电荷层转向外电场ep外Eep加上外场上页下页返回退出上页下页返回退出上页下页返回退出上页下页返回退出单位体积内分子电矩的矢量和称为该点的电极化矢量，用表示三、电极化强度2CmP单位：VpP上页下页返回退出上页下页返回退出++++----S四、电极化强度与极化电荷的关系极化电荷是电介质极化产生的，对于均匀电介质，极化电荷只集中在表面层或两种不同的界面层里。电介质的极化强度必然和极化电荷之间存在联系。lPEnePSlp设有一厚为l、表面积为S的均匀电介质薄片放置在均匀电场E中。薄片总的电偶极矩是电极化强度的大小与薄片体积的乘积，即上页下页返回退出上页下页返回退出lqPSlp因此，电介质薄片表面的极化电荷面密度就等于电极化强度的大小：P上一结果假定了薄片表面与垂直，一般情况下，设为薄片表面单位法向矢量，则PnennPeP这相当于薄片表面的极化电荷与薄片两表面分开距离的乘积。即ql介质极化所产生的极化电荷面密度等于电极化强度沿介质表面外法线的分量。上页下页返回退出上页下页返回退出EEE0总电场外电场束缚电荷电场电极化强度与总电场的关系EP0e电极化率五、介质中的静电场空间任一点总电场由于电介质中，外电场与极化电荷的电场方向相反,所以电介质中的合场强总小于外场强。服从上式极化规律的电介质叫各向同性线性电介质。上页下页返回退出上页下页返回退出电介质内电场0000EEE00PEEEe0e01EE两“无限大”极板间充有电极化率为均匀电介质。e0极板上自由电荷面密度为，介质表面极化电荷面密度为，两板间电势差)1(e00dEdU++++++++++0EE所以上页下页返回退出上页下页返回退出充满电介质时的电容为dSUSUqC)1(e00e)1(Cer10e0r)1(电介质内部场强减弱为外场的1/r，这一结论并不普遍成立，但是场强减弱却是比较普遍的。电介质的介电常量或电容率又dSC0r比较可得相对介电常量自由电荷和极化电荷激发的静电场特性相同，因而有电介质存在时，电场强度环路定理仍成立，即，这里的场强是介质中的合场强0dLlE上页下页返回退出上页下页返回退出取球心O为原点，取与平行的直径为球心轴线，由于轴对称性，表面上任意点的极化电荷面密度只和角有关(是点矢量和外法线间的夹角)AAPneP++++++POAxne例题7-28半径R的介质球被均匀极化，极化强度为。求：(1)介质球表面上的极化面电荷的分布；(2)极化面电荷在球心处激发的电场强度。（3）若该介质是放在均匀的外电场中，求电介质球内的电场强度。P解：（1)球面上任一点cosnPeP上页下页返回退出上页下页返回退出P++++++ddEx（2）在球面上取环带ddcossinπ2dsinπ2d22RPRq00π2，；及，最大。左半球面上0右半球面上0dcossin2cosπ4dd2020PRqE0π0203dcossin2dPPEEE沿x轴负方向。在球心处的场上页下页返回退出上页下页返回退出介质球放入前电场为一均匀场极化电荷的电场E上页下页返回退出上页下页返回退出介质球放入后电场线发生弯曲+++++++E上页下页返回退出上页下页返回退出介质球内的场强已经在例题题中求出为003PEEEP0e0r23EE03PEE0E与方向相反+++++++靠近球的外部空间，上下区域，合场强减弱；左右区域，合场强增强。故上页下页返回退出上页下页返回退出*六、铁电体压电体永电体铁电体铁电性：电极化规律具有复杂的非线性，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性。铁电体：具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒石酸钾钠单晶。上页下页返回退出上页下页返回退出电滞现象与电滞回线（以钛酸钡为例题）EPOC120otEPOC120otABCDsPsPrPrP温度较高时，电极化强度与电场强度成正比。温度较低时，电极化强度与电场强度不成正比，而是滞后于电场强度的变化，形成电滞回线。上页下页返回退出上页下页返回退出压电体某些离子型晶体的电介质，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，能产生电极化现象，称为压电现象。压电现象：电致伸缩：晶体在带电或处于电场中时，其大小发生变化，即伸长或缩短，是压电现象的逆现象。压电现象和电致伸缩的应用：压电现象可用来变机械振动为电振荡，电致伸缩可变电振荡为机械振动。上页下页返回退出上页下页返回退出永电体（驻极体）永电体：外界条件撤去后，能长期保留其极化状态，且不受外电场的影响的一类电介质。永电体的制备方法：热驻极法、电驻极法、光和磁驻极法等永电体的应用：永电体换能器（传感器）。上页下页返回退出上页下页返回退出选择进入下一节§7-0教学基本要求§7-1物质的电结构库仑定律§7-2静电场电场强度§7-3静电场的高斯定律§7-4静电场的环路定律电势§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律电位移§7-10静电场的能量