2022-2023学年高二物理竞赛课件：静电场中的电介质

静电场中的电介质 静电场中的电介质 电介质---绝缘体，体内只有极少自由电子，介质引入电场后，将产生：介质极化。 一) 电介质的极化现象 1）它所产生的电场不足以将介质中的场完全 抵消。 2）受到附近原子的束缚，只能在原子尺度内 作微小位移。 这种电荷 称之为“极化电荷”或“束缚电荷” 电介质极化---介质在电场中出现极化电荷的现象 电介质的微观结构及其分类（极化现象解释） 1、电的作用中心、有极分子、无极分子 T=10-15s 同样所有正电荷的作用也可等效一个静止 的正电荷的作用，这个等效正电荷作用的位置 称为“正电作用中心” 真是“瞬息亿变”只能观测到它们 位置、电场场量等平均值。 - 而且每个分子负电荷对外 影响均可等效为单独一个 静止的负电荷 的作用。 其大小为分子中所有负电 之和，这个等效负电荷的 作用位置称为分子 的“负电作用中心”。 + + - - - + He - + + O H+ H+ + H2O 从以上可以看出，介质分子可分为两类： （1）：无极分子---正负电荷作用中心重合的 分子。如H2、N2、O2、CO2 - + - He H+ + + - + + H+ H+ C H+ CH4（甲烷） + + - - + + O H+ H+ + H2O （2）：有极分子---正负电荷作用中心不重合的 分子。如H2O、CO、SO2、NH3….. + - H+ + + - + H+ H+ N NH3（氨） + - 有极分子对外影响等效为一个电偶极子，电矩 为分子中所有正电荷的代数和； 为从负电荷作用中心指向负电作用 中心的有向线段 + - 事实上所有分子均可等效为电偶极子的模型 只不过在无电场时，无极分子的电偶极矩为 零罢了。 2、无极分子的位移极化 3）外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化 也越厉害（由实验结果推算，位移极化时 正负电荷中心位移仅有原子线度的十万分 之一。故位移极化总的看是很弱的）。 1）位移极化是分子的等效正负电荷作用中心 在电 场作用下发生位移的现象。 结论： 2）均匀介质极化时在介质表面出现极化电荷， 而非均匀介质极化时，介质的表面及内部 均可出现极化电荷。 3、有极分子的转向（取向）极化 结论： 1）转向极化主要是由于分子电矩在外场作用下 转向趋近于与外场一致所致。（此时虽有位移 极化，但产生的电矩远远小于由转向极化所产 生的电矩，只有转向极化的万分之一）。 2）外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好， 电矩的矢量和也越大。 综 述： 1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的 宏观效果都是产生了极化电荷。 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害 所产生的分子电矩的矢量和也越大。 三）电介质中的静电场 极化电荷也要产生电场，空间一点实际的场 为场源电荷产生的场 和极化电荷产生的场 的叠加。 c b a 例如，无限大平行导体板间充满各向同性的均匀 介质。充电以后，金属板上电荷面密度为±0， 介质表面的极化电荷面密度为’，分析介质内部 场强。 + + + + + + + - - - + + + - - - - - - - 0 -0 ’ -’ 定义相对介电常量为： 其值显然可以通过实验测量： S 四）电位移矢量 电介质中的高斯定理 S 定义： 例1）两个带等量异性电荷的平行金属板，电荷密度为0，中间充满相对介电常量为 的各向同性的介质。求介质中的场强及极化电荷面密度。 已知： 求： 解： 作高斯面： -’ ’ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 -0 S • 各电介质层中的场强不同 $