第三章电介质 静电场中:(1)存在导体时,出现静电感应,其体内E=E。+E'=0,表现出 许多特性,如导体等势体等: (2)存在介质时,出现介质极化、极化电荷,其内E=E0+E'≠0 本章研究电介质中的静电场性质,是上一章的延续,也是静电学的一般形式, 是静电学的难点和重点。 §1电介质的极化 极化现象 1、电介质 几乎所有的物体在电场中都呈现/ 介电双重性质。 具有介电性的物体称为电介质。理想的电介质是良好的绝缘体,即完全没有 导电性的物质,其内部无自由电子,但因物质由分子、原子(核、核外电子)组 成,故它们对电场的作用有一定响应,且与电场之间有一定相互作用。 2、极化现象 现象之一:如图3-1,介质微粒直立,出现极化。(制作砂纸的原理) 直流高 早体平板电容器 图3-1 现象之二:如图3-2,两相同电容器,其真空电容量均为C,并联地接在同 一电源上——恒压。在2电容器内充满介质,则其电容量为C 实验告知C增大至C的8r倍 C=ECo
3－1－1 第三章 电介质 静电场中:(1)存在导体时，出现静电感应，其体内 E = E0 + E = 0 ，表现出 许多特性，如导体等势体等； (2)存在介质时，出现介质极化、极化电荷，其内 E = E0 + E 0 。 本章研究电介质中的静电场性质，是上一章的延续，也是静电学的一般形式， 是静电学的难点和重点。 §1 电介质的极化 一、极化现象 1、电介质 几乎所有的物体在电场中都呈现 介电 导电 双重性质。 具有介电性的物体称为电介质。理想的电介质是良好的绝缘体，即完全没有 导电性的物质，其内部无自由电子，但因物质由分子、原子（核、核外电子）组 成，故它们对电场的作用有一定响应，且与电场之间有一定相互作用。 2、极化现象 现象之一：如图 3-1，介质微粒直立，出现极化。（制作砂纸的原理） 图 3-1 现象之二：如图 3-2，两相同电容器，其真空电容量均为 C0 ，并联地接在同 一电源上——恒压。在 2 电容器内充满介质，则其电容量为 C ， 实验告知 C 增大至 C0 的 r 倍 C rC0 = 直流高 压电源 导体平板电容器
式中E反映电介质性质,不同的介质其r不同,是一个纯数 有表可查,称为相对介电常数。 C 图3-2 [分析] U相同,C0 且C=ECo q2=E,q1,或σ2=E01 尽管2电容器极板上自由电荷分布比1电容器大,但1、2两电 容器内的电场大小未变:U=Ed=Ed,即E0=E,此处的E是 介质内的总场,σ2>a1,故知介质板上两侧出现极化电荷产生 附加场E,使a2激发的场与E抵消后仍保持E合=Eo 现象之三:如图3-3,两相同电容器充电后与电源断开,带电Q恒定,测量 充满介质￡和不充介质两情况下极板间的电压U。实验告知 U<U0,如何解释成因? Uo 图3-3
3－1－2 式中 r 反映电介质性质，不同的介质其 r 不同，是一个纯数， 有表可查，称为相对介电常数。 图 3-2 [分析] ∵ U 相同， U q C 1 0 = 、 U q C 2 = ，且 C rC0 = ∴ 2 1 q qr = ，或 2 1 = r 。 尽管 2 电容器极板上自由电荷分布比 1 电容器大，但 1、2 两电 容器内的电场大小未变： U = E0 d = Ed ，即 E0 = E ，此处的 E 是 介质内的总场， 2 1 ，故知介质板上两侧出现极化电荷产生 附加场 E ，使 2 激发的场与 E 抵消后仍保持 E合 = E0 。 现象之三：如图 3-3，两相同电容器充电后与电源断开，带电 Q 恒定，测量 充满介质 r 和不充介质两情况下极板间的电压 U 。实验告知： U U0 ，如何解释成因？ 图 3-3 Co εr C d ε +Q -Q +Q -Q + Uo - + U -
Q一定,U↓,表明引入介质使电容器两板间场E=↓ 而原来的E在介质内变成E,即充介质后板间的电场变弱,有 种“屏蔽”作用一一极化现象。这是因为:介质表面出现上“-”、 下“+”电荷q产生退极化场E',抵消了原场E0的一部分,使 介质内总场E=E0+E'<E0,此E’与导体中感应电荷激发的 E不同,它不足以完全抵消E而使E内=0 以后我们以极化电荷q'代替介质对场的影响,这些极化电荷是介质内束缚 电荷的微小移动造成的宏观效果 3、介质的击穿场强 电介质除能使电容器的电容量增大外,还能提高电容器的耐压能力。当电介 质中的电场超过某一极限值时,介质的绝缘性能会被破坏,此现象叫申介质的击 穿,该场强的限值叫电介质的介电强度或击穿场强E 例如:空气:E=3mn:云母:En=80km 极化的微观机制 宏观电磁理论仅深入至物质分子、原子的层次研究问题。 1、电介质的分类(考虑无外场E时) 组成介质的分子或原子,系统净电荷为零,据等量正、负电荷中心重合进行 对电介质分类: 无极分子一一电介质分子的正、负电荷中心重合。例如:CO,分子,如图3-4 所示,其中=丙+应2=0,丙=-2=写7,即分子电矩为零。 图3-4 有极分子一一电介质分子正、负电荷之中心不重合。即使分子q静=0,但
3－1－3 Q 一定, U ,表明引入介质使电容器两板间场 = d U E ， 而原来的 E0 在介质内变成 E ，即充介质后板间的电场变弱，有 一种“屏蔽”作用——极化现象。这是因为：介质表面出现上“-”、 下“+”电荷 q 产生退极化场 E ，抵消了原场 E0 的一部分，使 介质内总场 E E0 E E0 = + ，此 E 与导体中感应电荷激发的 E 不同，它不足以完全抵消 E0 而使 E内 = 0 。 以后我们以极化电荷 q 代替介质对场的影响，这些极化电荷是介质内束缚 电荷的微小移动造成的宏观效果。 3、介质的击穿场强 电介质除能使电容器的电容量增大外，还能提高电容器的耐压能力。当电介 质中的电场超过某一极限值时，介质的绝缘性能会被破坏，此现象叫电介质的击 穿，该场强的限值叫电介质的介电强度或击穿场强 E m 。 例如：空气： mm E kV m = 3 ；云母： mm E kV m = 80 。 二、极化的微观机制 宏观电磁理论仅深入至物质分子、原子的层次研究问题。 1、电介质的分类（考虑无外场 E0 时） 组成介质的分子或原子，系统净电荷为零，据等量正、负电荷中心重合进行 对电介质分类： 无极分子——电介质分子的正、负电荷中心重合。例如： CO2 分子，如图 3-4 所示，其中 p = p1 + p2 = 0 分 ， l q p p 2 1 = − 2 = ，即分子电矩为零。 图 3-4 有极分子——电介质分子正、负电荷之中心不重合。即使分子 q静 = 0 ，但 O l C O -q/2 +q -q/2 CO2分子
正、负电荷形成一固有电偶极矩p分。例如:H2O分子,如图3-5所示,其中 P分=1+p2≠0,有分子固有电偶极矩。 H PI p P分=P1+P2 图3-5 无极分子组成的电介质,因每个分子对外不显电性,故整体介质对外不产生 场 有极分子组成的电介质,虽然P分≠0,但因排列杂乱无序,宏观小体积中 ∑P=0,宏观上仍对外不显电性,即不产生场E'。 综上可见,P分是研究物质电性质的基元。 2、电介质极化的分类(考虑有外场E0时) 当电介质放在外场E。(称之为极化场)中,电介质发生极化,出现极化电 荷q′(ρ′、σ',或称为束缚电荷),激发电场E′(称为退极化场,或附加场)。 但两类介质极化的微观机制有别: (1)无极分子的位移极化 无极分子的正、负电荷中心重合,加外场E0,将出现感应电矩,此过程可 视为正电重心(核)未动,而电子逆场位移—一位移极化,如图3-6所示 e)加E P K9∈9 Eo 图 3-6
3－1－4 正、负电荷形成一固有电偶极矩 p分 。例如： H2O 分子，如图 3-5 所示，其中 p = p1 + p2 0 分 ，有分子固有电偶极矩。 图 3-5 无极分子组成的电介质，因每个分子对外不显电性，故整体介质对外不产生 场； 有极分子组成的电介质，虽然 p分 0 ，但因排列杂乱无序，宏观小体积中 = 0 V p分 ，宏观上仍对外不显电性，即不产生场 E 。 综上可见， p分 是研究物质电性质的基元。 2、电介质极化的分类（考虑有外场 E0 时） 当电介质放在外场 E0 （称之为极化场）中，电介质发生极化，出现极化电 荷 q （ 、 ，或称为束缚电荷），激发电场 E （称为退极化场，或附加场）。 但两类介质极化的微观机制有别： (1) 无极分子的位移极化 无极分子的正、负电荷中心重合，加外场 E0 ，将出现感应电矩，此过程可 视为正电重心（核）未动，而电子逆场位移——位移极化，如图 3-6 所示。 图 3-6 + H O 1050 - H + p1 p2 p = p1 + p2 0 分 E0 E0 E0 加 E0 E0 p分
(2)有极分子的取向极化 外场E对有极分子的p分有力矩作用:D=P分XE,使P分转向/趋向外E 方向,使杂乱的各P分有向排列。E越强,P分有向排列越好。各P分在E。方 向取向一一取向极化。 无序一场→有序 各向同性一>取向优化 [综述 般地,以上兼而有之,在有极分子介质中取向极化占优势。 无论何种极化,外场E都要对介质分子做功,即介质储能、耗能。 至于分子电矩是固有的,还是感生的,对产生附加电场E′并无两样,在这 个意义上可不予区别。以后常用位移极化微观模型来硏究问题
3－1－5 (2) 有极分子的取向极化 外场 E0 对有极分子的 p分 有力矩作用： L p E0 = 分 ，使 p分 转向/趋向外 E0 方向，使杂乱的各 p分 有向排列。 E0 越强， p分 有向排列越好。各 p分 在 E0 方 向取向——取向极化。 无序 ⎯ ⎯0→ E 场 有序， 各向同性 → 取向优化。 [综述] 一般地，以上兼而有之，在有极分子介质中取向极化占优势。 无论何种极化，外场 E0 都要对介质分子做功，即介质储能、耗能。 至于分子电矩是固有的，还是感生的，对产生附加电场 E 并无两样，在这 个意义上可不予区别。以后常用位移极化微观模型来研究问题