第一章 电介质极化.ppt

n1.0 本章概要n1.1 真空中的电场n1.2 电介质的极化和介电系数n1.3 洛伦兹有效电场和克劳斯-莫索蹄方程n1.4 极性液体电介质的翁沙格有效电场n1.5 电介质极化的机理n1.6 电介质的介电系数及其温度系数n1.7 离子晶体电介质中的极化1 电介质极化 返 回1.0 本章概要n1.0.1 本章目的n1.0.2 本章内容n1.0.3 本章要求n1.0.4 本章重点n1.0.5 本章难点n1.0.6 本章作业返 回1.0.1 本章目的n电介质的极化过程是电介质物理研究的主 要内容和根本性任务n电介质的极化过程是认识电介质其它物理 过程的基础n本章设置目的是为全面掌握电介质物理打 下坚实的基础返 回1.0.2 本章内容n本章主要研究电介质的极化机制及极化规 律，全章及学时分布如下：n1．1真空中的静电场 4学时n1．2电介质的极化和介电系数（2学时 ）n1．3洛伦兹有效电场（4学时）n1．4翁沙格有效电场 （2学时）n1．5电介质极化机理（4学时）n1．6介电系数 （2学时）n1．7离子晶体极化（2学时）返 回1.0.3 本章要求n通过本章学习，应达到下述目标：n1) 熟悉静电场的基本概念和基本规律n2）理解并掌握电介质极化的关键概念：电 介质 介电常数 相对介电常数 电偶极化n3）掌握洛伦兹有效电场n4) 掌握电介质极化机理n5）了解离子晶体极化机理返 回1.0.4 本章重点n电场的基本概念和规律；n电介质极化基本概念；n有效电场；n电介质极化机理返 回1.0.5 本章难点n有效电场的概念返 回1.0.6 本章内容n1-18 1-19 1-20 1-21 1-22 1-23 返 回1.1 真空中的电场n1．什么是库仑定律？（掌握）n2．什么叫电场、静电场、电场强度及电力线？电 场有哪些基本性质？（掌握)n3．什么叫高斯定理？怎样运用高斯定理分析解决 电场强度的计算问题？（掌握）n4．什么叫电偶极子及其电矩？（掌握）n5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握）n6．什么叫电势？如何分析计算典型电场中的电势 ？（掌握）返 回1．什么是库仑定律？（掌握）n物理语言表述：n在真空中， 两个点电荷之间的相互作用力的方向沿着 这两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸 ，作用力的大小与电荷量的乘积成正比，而与这两个 点电荷之间的距离平方成反比n数学语言表述：n发现时间和发现人：n该定律是由法国工程师物理学家库仑（1736-1806）于 1785年所发现。

n科学意义：n该定律是人类研究电现象的第一个定量化的规律，是 电学尤其是静电学的核心基础，当然也是电介质物理 学的核心基础返 回下一页2．什么叫电场、静电场、电场强度及电力线？电场有哪些基本 性质？（掌握)nElectric field：n电荷或变化磁场周围空间里存在的一种特殊形态的物 质其基本特性是静止电荷置于电场中将受到作用力 通常电场性质可通过电场强度E进行定量描述，也可 通过电力线形象直观的描述nElectric field intensity：n置于电场中某点的一个试验电荷（体积和电荷量都充 分小）不会改变原来的电荷分布，它所受的力与它的 电荷量的比值是一个与试验电荷无关而仅取决于电场 该点性质的量，这个比值描述了电场该点的性质，称 为电场强度电场强度是个矢量 nLine of electric forece：n用来直观地图示电场分布的虚设的有向曲线族，曲线 上每一点的切线方向与该点电场方向一致返 回nStatic electric field：n静止电荷产生的电场叫做静电场，又叫做库仑场nElectric Field基本性质：n1）处在电场中的任何带电体都受到电场力的作用；n2）带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功；n3) 电场中任意一点的总场强等于各个电荷在该点各自 产生的场强的矢量和。

场强叠加原理）返 回上一页下一页3．什么叫高斯定理？怎样运用高斯定理分析解决电场强度的计 算问题？（掌握）n电场强度通量的概念：n高斯定理物理语言表述：n对任意封闭曲面的电场强度通量正比于该封闭曲面内电荷的代数 和n高斯定理数学表述：n高斯定理的证明：n高斯定理的应用：n能熟练地应用高斯定理分析求解下列典型电场的电场强度分布规 律并熟记结论n（1）均匀带电的球面及均匀带电球体n（2）无限大均匀带电平面（电荷面密度为σ）n（3）两无限大带电极板返 回4．什么叫电偶极子及其电矩？（掌握）n电偶极子的概念：n两个大小相等的正负电荷相距L，L较讨论中所涉及到 的距离小得多，这一电荷系统称为电偶极子，连接两 电荷的直线称为电偶极子的轴线n是电介质物理的基本模型和研究观察对象n电矩μ的概念：n电量与矢径的乘积定义为电矩，电矩是矢量，方向规定由 负电荷指向正电荷n电偶极子的场强特征：n电偶极子轴线上的分布特征：n任意一点的场强与电矩数值成正比，与电矩方向同向 ，与距中心的距离立方成反比n电偶极子中垂线的分布特征：n任意一点的场强与电矩数值成正比，与电矩方向反向 ，与距中心的距离立方成反比返 回5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握）n电感强度（电位移）概念：n电场中任意一点的电感强度在数值上等于感应板置于 该点感应的最大电荷密度，方向与该点的场强方向相 同。

n电位移的基本特性：n与产生电场的电荷的大小及分布状况有关，与电场所 在电介质无关n介电常数n单位场强（静电场中）所产生的电位移，一般地介电 常数仅仅是电介质结构种类和状态的函数，是物质的 物性参数之一n真空中介电常数n相对介电常数返 回6．什么叫电势？如何分析计算典型电场中的电势？（掌握）n电势概念：将单位电荷移动到无穷远处电场力所 作的功n相关概念n等电势面n电势梯度：n在等电势面外法线方向上单位长度的变化所产生电势变化量n电场强度的散度n即微元封闭曲面所包围的单位体积的通过该曲面的电场强度通 量返 回n电势概念的应用：（熟练掌握各种情形下电场中各点电势 的分析计算方法）n（1）试计算点电荷电场中任意一点（距离点电荷r）的电 势掌握）n（2）试计算点电荷系电场中任意一点的电势掌握）n（3）试计算连续分布均匀带电球体（球半径为R，电荷体 密度为 ）的任意一点的电势了解）n扩展问题：无限长带电线体，电荷线密度为η ；无限大 带电平面，电荷面密度为σ ；等等返 回n（4）试证明电场强度大小与电势梯度大小相等方向相反 （了解，记住结论）n（5）试证明电场强度散度定理： （了解，记住结论）n（6）试建立用于求解普遍情形下电场中各点电势的泊松 方程及拉普拉斯方程。

（了解，记住结论）n泊松方程 n拉普拉斯方程返 回1.2 电介质的极化n1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电 场？（掌握）n2．描述电介质极化行为的参量主要有哪些 ？这些参量是如何定义的？（掌握）n3．描述极化过程的宏观参数有哪些内在联 系？什么是克劳修斯方程？它们是如何导 出的？（掌握）返 回1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电场？（掌握）n自由电荷：n在电场的影响下，物质中含有可移动宏观距离的电荷 叫做自由电荷n束缚电荷：n如果电荷被紧密地束缚在局域位置上，不能作宏观距 离移动，只能在原子范围内活动，这种电荷叫做束缚 电荷n极化与极化电荷n在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上 显示出电性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出 现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电 荷n退极化电场n这些极化电荷将改变原来的电场，由极化电荷所产生 的电场称退极化电场返 回2．描述电介质极化行为的参量主要有哪些？这些参量是如何定义的？（掌 握）n相对介电常数： n在相同外加电压下，电容器在电介质中的电容量与 真空中的电容量之比n描述了电介质对电容器的电容量影响n只与电介质材料和状态有关，与外加电场无关。

n极化强度n在外电场作用下单位体积所产生的感应偶极矩的矢 量和n有效电场n作用在极化粒子上的局部电场，是除了自身极化粒 子外空间上所有自由电荷和偶极子在该点产生的电 场n极化率n作用在极化粒子上的单位有效电场所产生的偶极矩 ，通常只与电介质材料极化粒子及其状态相关，直 接从微观上描述了电介质材料对极化过程的影响n极化系数n与相对介电常数类似，表示了电介质材料对电容量 的宏观影响返 回3．描述极化过程的宏观参数有哪些内在联系？什么是克劳修斯方程？它们 是如何导出的？（掌握）n描述几何结构参数：n极板面积，间距n描述外电场参数：n宏观施加外电压，宏观外电场强度，极板自由电荷场 强 n描述电介质材料物性参数：n电介质的相对介电常数，极化率，单位体积的粒子数n描述极化结果参数：n极化电荷面密度，极化强度 ，有效电场，退极化电场 ，极板电容返 回n（1）极间电压与电场关系n（2）宏观场强与自由电荷场强、退极化电场关系n（3）表面束缚电荷与极化强度之间的关系n（4）表面束缚电荷密度与宏观场强的关系n（5）极化强度与宏观场强的关系n（6）极化强度与有效电场的关系n（7）克劳修斯方程返 回n1．什么是有效电场？为何要讨论研究有效 电场？（掌握）n2．洛伦兹在计算有效电场时采用了什么样 的计算模型？（掌握）n3．洛伦兹有效电场由哪三部分构成？各部 分是如何分析计算的？（掌握）n4．什么是克劳斯-莫索蹄方程？它的使用条 件是什么？（掌握）1.3 洛伦兹有效电场和克劳修斯-莫索缔方程返 回n有效电场 是指作用在某一极化粒子上的局部电场 。

是除了被极化的该点的粒子之外所有外部自由 电荷和极化偶极子在该点所产生的电场n介电系数的预测是电介质极化研究的根本目标n由克劳修斯方程，必须首先预测出有效电场与宏 观外场的关系，再进一步从微观结构预测极化特 性（极化率），方可实现目标1．什么是有效电场？为何要讨论研究有效电场？（掌握）返 回n适当的长度为半径，在介质中作一球n球微观上（相对于极化粒子）足够大，宏 观上（相对于极板间距）足够小n球外分子（原子）对中心的作用，只具长 程性质，可作连续介质处理n而球内其他分子（原子）对中心的作用， 则带有短程性，必须考虑介质的具体结构 2．洛伦兹在计算有效电场时采用了什么样的计算模型？（掌握）返 回n第一部分：极板自由电荷在中心形成的电场，其值 为 ：n第二部分：球外极化粒子的在中心形成的综合电场 ，可归结为两部分构成：n一部分是电介质表面束缚电荷在中心形成的场强 ，其值为 ：n另一部分是球腔表面束缚电荷在中心形成的场强 ，其值为 ：n证明：n第三部分：球内极化粒子在中心形成的综合场强， 可以证明（参见教材），当介质具有中心反演对称 结构时：n有效电场：n适用条件：非极性气体电介质；低压力极性气体电 介质或高对称性的立方点阵原子、离子晶体等分子 间作用较小的电介质。

3．洛伦兹有效电场由哪三部分构成？各部分是如何分析计算的？适用条件 是什么？（掌握）返 回n由克劳修斯方程n将洛仑兹有效电场代入可得K-M方程n摩尔极化强度n对于一般电介质磁导率为1则由n可得洛仑兹-洛仑斯方程：n 上述方程适用条件：n非极性气体电介质；n低压力极性气体电介质；n高对称性的立方点阵原子、离子晶体等分子间作用较小的电介质4．什么是克劳修斯-莫索缔方程？它的使用条件是什么？（掌握 ）返 回n1．什么是翁沙格有效电场的模型？（掌握）n2．翁沙格有效电场由是如何构成的？（掌握）n3．如何求解空球电场？（掌握）n4．空球电场有哪些性质和特点？ （掌握）n5．如何求解反作用电场？（了解）n6．什么是翁沙格方程？它是如何导出的？翁沙格 方程方程是否适用于非极性介质？（了解）n 1.4 极性液体电介质的翁沙格有效电场返 回n翁沙格假定：每个极性分子是一个半径为a 的空心球，球心有一电偶极子，该球被连 续均匀的极性液体介质包围1．什么是翁沙格有效电场的模型？（掌握）返 回n有效电场：由空球电场和反作用电场两部分构成n空球电场：即将空球球心上的偶极子去掉，此时 外电场在球内形成的电场称为空球电场n反作用电场：没有外电场作用时。