1,依电荷在物质中移动的难易程度，将物质分为 1.导体： 电阻率10-8-10-6之间 2.绝缘体(电介质)：电阻率106-1018之间,2,1.导体 导电能力极强的物体 金属导体中存在着大量的自由电子 2.绝缘体(电介质)(如:He ) 导电能力极弱或不能导电的物质 分子中电子被束缚得非常紧，电子只能在原子核附近运动，不能自由运动 理想电介质是良好的绝缘体，内部无自由电子,具有束缚电荷,3,物质具有电结构 当物质处于静电场中 场对物质的作用：对物质中带电粒子作用 物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用的响应 带电粒子重新分布后，使周围空间的电场发生变化。,4,导体、半导体和绝缘体有着不同的电结构 不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后果，在静电场中具有各自的特性。 导体中存在着大量的自由电子静电感应 绝缘体中的自由电子非常稀少极化,5,1.电介质的极化 相对介电常数,法拉第试验：静电计测电压,电场被削弱：,相对介电常数,6,保持条件不变，插入导体。 静电计指示两板电位差减小。,导体,如何解释上述实验结果？,d,d,7,表面出现电荷“束缚电荷”,束缚电荷的电场E不能全部抵消E0，只能削弱总场E.,机制与导体有何不同？,介质情况,电介质极化：电介质在电场作用下，其表面甚至内部出现极化电荷的现象叫做电介质的极化,8,电介质分子偶极子模型,分子是电中性的，分子可看作一个电偶极子，电介质可看作大量电偶极子的集合。,每个分子负电荷对外影响等效为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“负电重心”。,所有正电荷的作用等效一个静止正电荷的作用，等效正电荷的位置称为“正电重心”。,9,偶极子在外场中受的力矩和电势能,+q,-q,l, =0，偶极矩与电场方向一致，稳定状态,10,有极分子：正负电荷重不重合,无极分子：正负电荷重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）,电介质分类,(H2O、HCl),11,有极分子：正负电荷重不重合,无极分子：正负电荷重心完全重合 （ H2、N2、CH4等）,微观：固有电偶极矩 p0，(l=0) 宏观：中性不带电,(H2O、HCl) 微观：固有电偶极 矩p0，(l 0) 宏观：中性不带电,12,无极分子的位移极化,13,无外电场：正负电荷重心重合，介质不带电,加外电场：,产生感生电偶极矩,极化的效果：端面出现束缚电荷,14,有极分子的取向极化,15,极化的效果：端面出现束缚电荷,16,在外电场中的电介质分子有两种极化机制.,17,无极分子和有机分子极化，微观机理不同，但宏观结果相同，效应相同 各向同性均匀介质极化，只在表面上产生面束缚电荷 非各向同性均匀电介质，还可产生体束缚电荷,18,极化强度,极化前：介质内,极化后：在其内部任意一宏观体积V内,单位C/m,定义： 介质中某一点的电极化强度矢量等于这一点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。,描述电介质极化物理量,19,物理意义： 表征介质在外电场作用下被极化的强弱程度 反映分子电矩的大小和空间有序化程度,是一个宏观矢量点函数，介质中每一点有唯一的极化强度，微观值无意义 宏观点是指宏观足够小，而微观足够大的物体小体积，可近似于一个几何点。 真空中或导体内,20,极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏观的极化电荷 可能出现在介质表面（均匀介质） 可能出现在整个介质中（非均匀介质）,电介质产生的一切宏观后果都是通过极化电荷来体现的。,极化电荷,21,极化电荷会产生电场附加场（退极化场）,极化电荷产生的场,外场：真空中电场，既无介质时场,附加电场不能完全抵消外电场（与导体不同） 极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互制约，过程复杂达到平衡（不讨论过程） 平衡时总场决定了介质的极化程度,22,极化的后果,三者从不同角度定量地描绘同一物理现象 极化，之间必有联系，这些关系电介质极化遵循的规律,23,电极化强度P 总场强E,电极化率（介质性质，与场无关）,介质中的总场强(外电场束缚电荷电场),相对介电常数,只讨论各向同性、线性电介质。,方向相同（各向同性），成正比（线性）,24,n 单位体积内的分子数,每个分子的正电荷重心相对于其负电荷重心都有一个位移l，各个分子的感应电矩都相同，电介质的极化强度为,以位移极化为例：,束缚电荷面密度与极化强度的关系,25,电介质,表面 dS 出现的束缚电荷：,束缚电荷面密度：,26,为电介质表面极化电荷的面密度,为极化强度矢量与外法线方向的夹角。,通常定义介质外法线方向为正。,27,极化强度矢量P经整个闭合面S的通量等于因极化穿出该闭合面的极化电荷总量Q,普遍规律,根据电荷守恒定律，穿出S的极化电荷等于S面内净余的等量异号极化电荷Q,极化电荷与极化强度的关系,28,介质中的高斯定理,描述极化的几个物理量互相影响、互相制约，一个知道则都知道，而一个不知道均不知道,29,E 的高斯定理：,束缚电荷,，代入移项得,30,D 的高斯定理：,通过任意封闭曲面的电位移矢量的通量，等于该封闭面所包围的自由电荷的代数和，与极化电荷无关,31,所以，D的分布一般也和束缚电荷有关。,因为,其中E是所有电荷共同产生的，P 与束缚电荷有关。,各向同性、线性介质 D、E、P 的关系,32,有介质时D的通量与闭合面内自由电荷的关系,理论地位：描述场的性质，有源无旋 不仅适用于介质，也适用于真空。 高斯面上任一点D是由空间总的电荷的分布决定的，不能认为只与面内自由电荷有关 可以用来计算某些场分布（由对称性决定） 利用D- Gauss定理按以下路径求,33,有电介质时电场、束缚电荷的计算,34,电位移线及其特点：,电位移线有方向曲线，它满足（1）其切向就是电位移的方向，（2）其密度等于电位移的大小。,电位移通量穿过某一有向曲面的电位移线的条数。,由电介质中的高斯定理，我们可以知道：电位移线总是起始于自由正电荷终止于自由的负电荷。,35,的比较,定义：,单位：,通量：,场线：,36,例1 求相对介电常数为r的无限大均匀电介质中点电荷q的场分布 用D-Gauss定理，球对称场，作球形Gauss面,介质内场强削弱了 倍,37,例2：两块靠近的平行金属板间距为 d , 极板面积为 S，面电荷密度分别为 0 和-0, 其间,插有厚度为 d 、电容率为 r 的电介质。求 ： . P1 、P2点的场强E；.两金属板间电势差,38,解： . 过 P1 点作高斯柱面, 左右底面分别经过导体和 P1 点。,导体内 D=0,39,过P2点作高斯柱面, 左右底面分别经过导体和P2点。,40,I区：,II区：,.电势差U,41,例3 把一块相对电容率r =3的电介质，放在相距d=1 mm的两平行带电平板之间. 放入之前，两板的电势差是1 000 V . 试求两板间电介质内的电场强度E ，电极化强度P ，板和电介质 的电荷面密度， 电介质内的电位 移D.,42,解,r =3， d=1 mm， U=1 000 V,43,r =3， d=1 mm， U=1 000 V,44,例4 图中是由半径为R1的长直圆柱导体和同轴的半径为R2的薄导体圆筒组成，其间充以相对电容率为r的电介质. 设直导体和圆筒单位长度上的电荷分别为+和- . 求(1)电介质中的电场强度、电位移和极化强度； (2)电介质内外表面的极化电荷面密度.,45,解 (1),46,(2),47,例 5 一半径为a的导体球, 被围在内半径为b、外半径为c，相对介电系数为r 的介质同心球壳内，若导体球带电荷量为Q， 求 D(r)，E (r)和导体表面 电势.,48,解,49,50,51,带静电的梳子为什么能吸引水柱？,