23電介質的極化

2022-10-08 08:33:03 字數 2016 閱讀 8445

靜電場中:(1)存在導體時,出現靜電感應,其體內,表現出許多特性,如導體等勢體等;

(2)存在介質時,出現介質極化、極化電荷,其內。

本章研究電介質中的靜電場性質,是上一章的延續,也是靜電學的一般形式,是靜電學的難點和重點。

§3 電介質的極化

一、極化現象

1、電介質

幾乎所有的物體在電場中都呈現雙重性質。

具有介電性的物體稱為電介質。理想的電介質是良好的絕緣體,即完全沒有

導電性的物質,其內部無自由電子,但因物質由分子、原子(核、核外電子)組成,故它們對電場的作用有一定響應,且與電場之間有一定相互作用。

2、極化現象

現象之一:如圖3-1,介質微粒直立,出現極化。(製作砂紙的原理)

圖3-1

現象之二:如圖3-2,兩相同電容器,其真空電容量均為,併聯地接在同

一電源上——恆壓。在2電容器內充滿介質,則其電容量為,

實驗告知增大至的倍

式中反映電介質性質,不同的介質其不同,是乙個純數,有表可查,稱為相對介電常數。

圖3-2

[分析]

∵相同,、,且

∴,或。

儘管2電容器極板上自由電荷分布比1電容器大,但1、2兩電容器內的電場大小未變:,即,此處的是介質內的總場,,故知介質板上兩側出現極化電荷產生附加場,使激發的場與抵消後仍保持。

現象之三:如圖3-3,兩相同電容器充電後與電源斷開,帶電恆定,測量充滿介質和不充介質兩情況下極板間的電壓。實驗告知:,如何解釋成因?

圖3-3

一定, ,表明引入介質使電容器兩板間場,

而原來的在介質內變成,即充介質後板間的電場變弱,有一種「遮蔽」作用——極化現象。這是因為:介質表面出現上「-」、下「+」電荷產生退極化場,抵消了原場的一部分,使介質內總場,此與導體中感應電荷激發的不同,它不足以完全抵消而使。

以後我們以極化電荷代替介質對場的影響,這些極化電荷是介質內束縛

電荷的微小移動造成的巨集觀效果。

3、介質的擊穿場強

電介質除能使電容器的電容量增大外,還能提高電容器的耐壓能力。當電介

質中的電場超過某一極限值時,介質的絕緣性能會被破壞,此現象叫電介質的擊穿,該場強的限值叫電介質的介電強度或擊穿場強。

例如:空氣: ;雲母:。

二、極化的微觀機制

巨集觀電磁理論僅深入至物質分子、原子的層次研究問題。

1、電介質的分類(考慮無外場時)

組成介質的分子或原子,系統淨電荷為零,據等量正、負電荷中心重合進行對電介質分類:

無極分子——電介質分子的正、負電荷中心重合。例如:分子,如圖3-4所示,其中,,即分子電矩為零。

圖3-4

有極分子——電介質分子正、負電荷之中心不重合。即使分子,但正、負電荷形成一固有電偶極矩。例如:分子,如圖3-5所示,其中,有分子固有電偶極矩。

圖3-5

無極分子組成的電介質,因每個分子對外不顯電性,故整體介質對外不產生場;

有極分子組成的電介質,雖然,但因排列雜亂無序,巨集觀小體積中,巨集觀上仍對外不顯電性,即不產生場。

綜上可見,是研究物質電性質的基元。

2、電介質極化的分類(考慮有外場時)

當電介質放在外場(稱之為極化場)中,電介質發生極化,出現極化電

荷(、,或稱為束縛電荷),激發電場(稱為退極化場,或附加場)。

但兩類介質極化的微觀機制有別:

(1) 無極分子的位移極化

無極分子的正、負電荷中心重合,加外場,將出現感應電矩,此過程可視為正電重心(核)未動,而電子逆場位移——位移極化,如圖3-6所示。

圖3-6

(2) 有極分子的取向極化

外場對有極分子的有力矩作用:,使轉向/趨向外方向,使雜亂的各有向排列。越強,有向排列越好。各在方向取向——取向極化。

無序有序,

各向同性取向優化。

[綜述]

一般地,以上兼而有之,在有極分子介質中取向極化佔優勢。

無論何種極化,外場都要對介質分子做功,即介質儲能、耗能。

至於分子電矩是固有的,還是感生的,對產生附加電場並無兩樣,在這個意義上可不予區別。以後常用位移極化微觀模型來研究問題。

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