当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK3 > 电介质 > 介质对电场的影响
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同学好 这一节我们讲电介质
先看一段演示实验
这是关于电介质的一个演示实验
里边是两个平行板电容器
有一个板上我们把这个静电计接上了
所以它这个指针就代表电压的高低
我现在用静电起电机
给这个电容器充上电
充上电以后显然这个静电计
就会指示出它带上电了
我把这个接头给它拿开
现在这个平行板电容器是孤立的了
所以它上面带的电荷是保持不变
我再把这个
扁的容器里边装满水的这个介质
推入到这两个平行板电容器之间
我们会看到这个指针微微下降一点
拿出来它又升高一点
假设没有电介质的时候
孤立电容器的电容是C0 电压是U0
里面放入电介质以后 电压下降
假设下降了εr倍
因为电荷量没有变 电容增加了εr倍
我们把这个εr
叫做这个电介质的相对介电常数
它一般是大于1的量
为什么电容之间插入电介质的话
电压下降 电容增加呢
当然我们要从已经了解的物质特性出发
去了解实验现象
我们刚刚学过导体特性
假设有平行板 都是带电的
那么这个时候呢
我往里面插入这个导体板
这个导体板跟原来的平行板
当然是要平行了
那么假设这个边缘效应不考虑的话
里面的电场是均匀的
那么你根据高斯定理
很容易判断这两侧
导体板的两侧也会感应出
跟原来的这个电荷
是一样多的这些电量
那现在呢
这个空隙中间的这个电场
就跟原来是一样的
没有任何改变
可是当你计算这个平行板
之间的电势差的时候你要积分
可积分这个路径少了d1这块
所以插入这个导体板以后的电势差
比原来没有插入的时候
电势差少了一点
那么这个和我们看到的演示实验类似
这个给我们一个提示
有人就想会不会这个绝缘体
绝缘体当然不导电所以它不可能是导体
可是它也许是里边镶嵌着这个导体
那么导体和导体之间因为它们是分离的
所以它仍然是绝缘体
可是由于刚才我们说的这个导体
在电场里边的这个效果
是减弱这个平行板之间的电势差的
所以如果是绝缘体有这样的结构的话
这里边的导体在电场的作用下
它也会感应出来这些电荷
而这些感应的电荷呢
也就减弱这两个平行板之间的电势差
可是这样的一个模型
你其实是很容易验证的
就是你把这个绝缘体
你给它切碎了看一看
发现里边根本找不到
镶嵌着的这些导体块
所以绝缘体的这个模型显然是错的
可是它这个思路却指向了正确的方向
物体都是原子或分子组成的
实际对外场有反应的是原子或者分子
假设某一类电介质
是由无极分子组成的
无极分子的正电荷和负电荷中心重合
加上电场后
受到电场力
正负电荷中心就会有一个错位
假设电荷量是q
错位δ
这个分子就会诱导出一个电偶极矩qδ
这个偶极矩的方向与外电场同向
我们说这个电介质发生了位移极化
这种极化的分子
有时也用这种简化的图示表示
或者用一箭头简单表示分子电偶极矩
箭头处是正电荷
下面我们要讲
电介质分子对电场的影响
假设平行板电容器中间
放置了电介质
那么这个平行板电容器原来是带电Q的
假如不考虑边缘效应的话
里面的电场它是均匀的
那么在这个均匀电场的作用下
这个电介质就会均匀极化
假设这个电介质
是由无极分子组成的
就是原来这个分子不带电场的时候
它是没有电偶极矩的
现在加上电场以后
里边的分子就会诱导出电偶极矩来
假想我们可以看到里边的这些
小电偶极矩的话
我们可以想象
里边的这些诱导的电偶极矩
都是沿着电场方向排列的
那么这里边的这个诱导电偶极矩
可以用qδ来表示
假如我们用比较粗略的一个图象
来思考这个问题的话
那么我们可以这样看
这里面这些电偶极矩
都是头尾相连的
那么电偶极矩头带的是正电
尾带的是负电
所以它们在一起的时候
对外边就没有电效果
所以结果是什么呢
里边的这些效果
正电负电都抵消了
唯一的什么呢
就是在这两侧的表面
比如说这个表面
因为电偶极矩的头在这外边
所以说在这一侧就会出现正电荷
在这一侧因为尾在这一侧
所以就会出现负电荷层
里边的呢
在里边我们刚才说的头尾相连
所以说净余的电荷效果是零
我们把这些电荷叫做极化电荷
那么这些极化电荷
跟我们通常在导体里边
可以传导电流的那些电荷是不一样的
因为在那里边加上电压的话
电荷就会有定向移动
可是在这里边呢
这些电荷其实是电偶极矩的一部分
所以你加上电压的时候
它是不能定向移动的
所以这些电荷
它只是说在产生电场方面
等效的有这么两层电荷
由于电介质
我们说了在这个平形板里面
等效的有这么两层极化电荷
所以说你原来的电场
被这两个极化电荷产生的电场
抵消了一部分
所以你的电场比原来的要小
因为我们看到对于平行板电容器
由于电场方向这个方向的时候
它在这两层产生的极化电荷
刚好和平行板上的电荷是相反的
所以这个时候呢
电介质对这个电场的影响
完全就等效的用
极化电荷体现出来了
那么现在电场
比原来没有电介质的时候小了一点
可是平行板之间的距离
没有改变
所以这两个平行板之间的电势差
也小了一点
假设小多少呢 假设小了εr倍
这里面εr是大于1的一个量
那么我们把这个εr呢
有的时候把它叫做相对介电常数
这个相对它是指相对于真空而言的
所以真空的相对介电常数
当然是1 这是标准
对于其它的呢
对于气体来说
气体因为比较稀薄
所以它的相对介电常数
比较接近于真空
它比1大一点 大一点点
1.000几这么一个量
对于有些电介质
比如说云母 陶瓷 纸
那么这些材料的相对介电常数
大概是在5这个量级
那么水呢 水比较大一些
它是接近于80
最大的比如说钛酸钡
这是铁电材料
我们后边会简单介绍一点
这种铁电材料的相对介电常数
可以达到几千几万 非常大
下面给大家看一段演示实验
这个演示实验本身是给大家展示
像纸条 柔软的纸条在电场中
表现出什么样的现象
如果你想具体详细的
解释这个实验现象的话
那是很复杂的
那么我们只是观察这个纸条在电场中
怎么沿着电场线排列这种过程
这是关于介质极化的一个演示实验
在两个平行板之间
里面放了很多纸条 彩色的
如果我在这个平行板上
用这个感应起电机给它加上电
我们会看到这里边的纸条会发生极化
我们看看
在电场的作用下
这里边的纸条都竖起来了
这些纸条其实就是电介质
它要极化它
那么它将受到电场力的作用
以及电场力矩的作用
它沿着电场的方向
纸条这样排列的话
这个时候这个系统的能量是最低的
所以它会出现这样的一个现象
好 这节内容就讲到这儿
谢谢
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理,电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量,极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律(续)
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
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--磁场的能量
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--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
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--电磁波
--坡印廷矢量
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-本周作业
--week8--本周作业
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--波动光学——引言
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--迈克耳逊干涉仪
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