电介质物理-电介质的极化

1.0本章概要1.1真空中的电场1.2电介质的极化和介电系数1.3洛伦兹有效电场和克劳斯-莫索蹄方程1.4极性液体电介质的翁沙格有效电场1.5电介质极化的机理1.6电介质的介电系数及其温度系数1.7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1.0.1本章目的1.0.2本章内容1.0.3本章要求1.0.4本章重点1.0.5本章难点1.0.6本章作业返回1.0.1本章目的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。电介质的极化过程是认识电介质其它物理过程的基础。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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：1．1真空中的静电场4学时1．2电介质的极化和介电系数（2学时）1．3洛伦兹有效电场（4学时）1．4翁沙格有效电场（2学时）1．5电介质极化机理（4学时）1．6介电系数（2学时）1．7离子晶体极化（2学时）返回1.0.3本章要求通过本章学习，应达到下述目标：1)熟悉静电场的基本概念和基本规律2）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3）掌握洛伦兹有效电场4)掌握电介质极化机理5）了解离子晶体极化机理返回1.0.4本章重点电场的基本概念和规律；电介质极化基本概念；有效电场；电介质极化机理返回1.0.5本章难点有效电场的概念返回1.0.6本章内容1-181-191-201-211-221-23返回1.1真空中的电场1．什么是库仑定律？（掌握）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)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）4．什么叫电偶极子及其电矩？（掌握）5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握）6．什么叫电势？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）物理语言表述：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数学语言表述：发现时间和发现人：该定律是由法国工程师物理学家库仑（1736-1806）于1785年所发现。科学意义：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12122112212133014qqqqFFkrrrr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)Electricfield：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Electricfieldintensity：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。Lineofelectricforece：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Staticelectricfield：静止电荷产生的电场叫做静电场，又叫做库仑场。ElectricField基本性质：1）处在电场中的任何带电体都受到电场力的作用；2）带电体在电场中移动时，电场力将对带电体做功；3)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）电场强度通量的概念：高斯定理物理语言表述：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高斯定理数学表述：高斯定理的证明：高斯定理的应用：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（1）均匀带电的球面及均匀带电球体（2）无限大均匀带电平面（电荷面密度为σ）（3）两无限大带电极板返回VsdqqsdE00114．什么叫电偶极子及其电矩？（掌握）电偶极子的概念：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是电介质物理的基本模型和研究观察对象电矩μ的概念：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。电偶极子的场强特征：电偶极子轴线上的分布特征：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电偶极子中垂线的分布特征：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qL5．什么叫电感应强度（电位移）？（掌握）电感强度（电位移）概念：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。电位移的基本特性：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介电常数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真空中介电常数相对介电常数返回EDr06．什么叫电势？如何分析计算典型电场中的电势？（掌握）电势概念：将单位电荷移动到无穷远处电场力所作的功相关概念等电势面电势梯度：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电场强度的散度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ndndVVgradVkkSkVSdEVEEdiv1lim00aaaWVEdLq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）（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）（2）试计算点电荷系电场中任意一点的电势。（掌握）（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）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04pqVr104nipiiqVr04pdqVr（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）（5）试证明电场强度散度定理：（了解，记住结论）（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）泊松方程拉普拉斯方程返回VgradVEdVEdivSdEVs02VEdivE02V2222222sin1)(sinsin1)(1VrVrrVrrr1.2电介质的极化1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电场？（掌握）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）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）返回1．什么叫电介质的极化？什么叫退极化电场？（掌握）自由电荷：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。束缚电荷：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。极化与极化电荷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。退极化电场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）相对介电常数：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。描述了电介质对电容器的电容量影响只与电介质材料和状态有关，与外加电场无关。极化强度在外电场作用下单位体积所产生的感应偶极矩的矢量和有效电场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。极化率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。极化系数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0CCr10limniiVPVeE1r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）描述几何结构参数：极板面积，间距描述外电场参数：宏观施加外电压，宏观外电场强度，极板自由电荷场强描述电介质材料物性参数：电介质的相对介电常数，极化率，单位体积的粒子数描述极化结果参数：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（1）极间电压与电场关系（2）宏观场强与自由电荷场强、退极化电场关系（3）表面束缚电荷与极化强度之间的关系（4）表面束缚电荷密度与宏观场强的关系（5）极化强度与宏观场强的关系（6）极化强度与有效电场的关系（7）克劳修斯方程返回EdVdEEE0EEr)()1(00cosPEENe0ePNNEEEPr00)1(1．什么是有效电场？为何要讨论研究有效电场？（掌握）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）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？（掌握）4．什么是克劳斯-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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。介电系数的预测是电介质极化研究的根本目标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EENe0适当的长度为半径，在介质中作一球。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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。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第一部分：极板自由电荷在中心形成的电场，其值为：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：一部分是电介质表面束缚电荷在中心形成的场强，其值为：另一部分是球腔表面束缚电荷在中心形成的场强，其值为：证明：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：有效电场：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00E12EEE10E203PE0EEEre32由克劳修斯方程将洛仑兹有效电场代入可得K-M方程摩尔极化强度对于一般电介质磁导率为1则由可得洛仑兹-洛仑斯方程：上述方程适用条件：非极性气体电介质；低压力极性气体电介质；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EENe00123rrN00132rgrNMPrn2020132gNnMPn1．