初三理化生陜西中考數(shù)學(xué)5.2電介質(zhì)的極化+

構(gòu)成電介質(zhì)的原子或分子中的電子和原子核之間的結(jié)合力很強(qiáng)，使電子處于一種束縛狀態(tài)一.電介質(zhì)有極分子和無(wú)極分子從分子帶電荷的角度可以分成兩部分：一部分帶正電荷；一部分帶負(fù)電荷。如HCl分子，由帶正電荷H＋帶負(fù)電的Cl－組成根據(jù)分子電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電介質(zhì)分子分為一般地把構(gòu)成電介質(zhì)的最小單元統(tǒng)稱(chēng)為分子如果分子正電荷中心和負(fù)電荷中心重合，分子對(duì)外顯電中性，這樣的分子叫無(wú)極分子如果分子正電荷中心和負(fù)電荷中心不重合，分子對(duì)外顯電性，這樣的分子叫有極分子+-+-設(shè)有極分子正電荷中心和負(fù)電荷中心之間的距離為l，分子中全部正電荷或負(fù)電荷的電量為q，有極分子電荷系統(tǒng)可以等效為一個(gè)電偶極子，則等效的電偶極子的電偶極矩為q-ql無(wú)外電場(chǎng)時(shí)：有極分子無(wú)極分子電介質(zhì)不顯電性對(duì)于有極分子電介質(zhì)，電介質(zhì)由大量有極分子組成，由于熱運(yùn)動(dòng)使得有極分子的電偶極矩的取向是雜亂無(wú)章的，這樣宏觀上物質(zhì)仍就不顯電性當(dāng)電介質(zhì)處于外電場(chǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？無(wú)極分子無(wú)極分子電介質(zhì)極化位移極化+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-無(wú)外場(chǎng)時(shí)有外電場(chǎng)時(shí)(勻強(qiáng)電場(chǎng)為例）形成一個(gè)電偶極子，每個(gè)分子對(duì)應(yīng)一個(gè)電偶極子。沿電場(chǎng)方向，相鄰兩電偶極子的正、負(fù)電荷靠的很近，對(duì)于均勻各向同性電介質(zhì)，結(jié)果使電介質(zhì)內(nèi)部仍然是電中性的。但在電介質(zhì)垂直電場(chǎng)方向的兩側(cè)面上，將分別出現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷。二.電介質(zhì)的極化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+有外電場(chǎng)時(shí)（勻強(qiáng)電場(chǎng)為例）電介質(zhì)垂直電場(chǎng)方向的兩側(cè)面上，將分別出現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷，這些電荷既不能離開(kāi)電介質(zhì)又不能自由移動(dòng)，稱(chēng)作“束縛電荷”，或“極化電荷”——稱(chēng)作電介質(zhì)極化由于無(wú)極分子電介質(zhì)的極化起源于分子正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移——稱(chēng)作位移極化-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+有外電場(chǎng)時(shí)（勻強(qiáng)電場(chǎng)為例）-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+外電場(chǎng)越強(qiáng)，每個(gè)分子的正負(fù)電荷中心之間相對(duì)位移越大，分子的電偶極矩越強(qiáng)。電介質(zhì)表面上出現(xiàn)的極化電荷就越多。電介質(zhì)等效為一大的電偶極子－＋＋＋－－有極分子電介質(zhì)極化——取向極化對(duì)于有極分子電介質(zhì)來(lái)說(shuō)，正負(fù)電荷中心不重合,每個(gè)分子等效為一個(gè)電偶極子，-+-+有外電場(chǎng)時(shí)（勻強(qiáng)電場(chǎng)為例）-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和分子間相互碰撞，每個(gè)電偶極矩排列的取向不可能與電場(chǎng)方向一致，只是有較多的分子的電偶極矩不同程度地接近于外電場(chǎng)的方向外電場(chǎng)越強(qiáng)，取向一致的程度越高。無(wú)外場(chǎng)時(shí)有外電場(chǎng)時(shí)（勻強(qiáng)電場(chǎng)為例）-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+穩(wěn)定以后，電介質(zhì)內(nèi)仍然是電中性的，而在電介質(zhì)垂直電場(chǎng)方向的兩側(cè)面上出現(xiàn)正的和負(fù)的極化電荷，電介質(zhì)仍然等效為一大的電偶極子這種極化是分子等效電偶極子的電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向產(chǎn)生的——叫做取向極化兩種極化方式的宏觀效果是相同的：極化的微觀機(jī)理無(wú)極分子——位移極化內(nèi)部無(wú)凈余電荷的區(qū)域，仍為電中性的。因此，下面從宏觀上描述電介質(zhì)的極化現(xiàn)象時(shí)，就不分為兩類(lèi)電介質(zhì)來(lái)討論了。有極分子在電介質(zhì)兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)了異號(hào)的極化電荷在電介質(zhì)內(nèi)有沿電場(chǎng)方向的等效電偶極矩有極分子——取向極化宏觀上足夠小三.極化強(qiáng)度及其與極化電荷、場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系在電介質(zhì)內(nèi)任取一宏觀足夠小、微觀足夠大的體積元微觀上足夠大包含大量的分子，可以求統(tǒng)計(jì)平均值可以反應(yīng)電介質(zhì)任意點(diǎn)的性質(zhì)當(dāng)沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，這體積元中所有分子的電偶極矩的矢量和等于零，第i個(gè)分子的電偶極矩外電場(chǎng)越強(qiáng)，分子的電偶極矩越強(qiáng)。電介質(zhì)表面上出現(xiàn)的極化電荷就越多。極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度——描述極化強(qiáng)弱的物理量定義：因此可以定義一個(gè)物理量來(lái)描述電介質(zhì)的極化程度當(dāng)存在外電場(chǎng)時(shí)，由于電介質(zhì)的極化，將不等于零，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，被極化的程度愈大，的值也愈大記作單位體積內(nèi)，分子電偶極矩的矢量和真空中極化強(qiáng)度與極化電荷的關(guān)系均勻電介質(zhì)極化時(shí)，其表面有極化電荷出現(xiàn)，極化程度愈高，極化電荷愈多?？勺C明：介質(zhì)介質(zhì)表面極化面電荷密度：則（極化電荷為正）若指向介質(zhì)外，則（極化電荷為負(fù)）若指向介質(zhì)內(nèi)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度介質(zhì)表面外法向的單位矢量極化強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系電介質(zhì)極化過(guò)程要在介質(zhì)表面產(chǎn)生極化電荷，極化電荷也要在空間激發(fā)電場(chǎng)。把激發(fā)外電場(chǎng)的電荷稱(chēng)作自由電荷，并用表示自由電荷激發(fā)的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)用表示極化電荷激發(fā)的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)空間任一點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)是上述兩類(lèi)場(chǎng)強(qiáng)的矢量和-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+－＋＋＋－－由于在電介質(zhì)中，自由電荷的電場(chǎng)與極化電荷的電場(chǎng)的方向總是相反的，所以在電介質(zhì)中的合場(chǎng)強(qiáng)和外場(chǎng)強(qiáng)相比就削弱了。-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+----+++極化強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系介質(zhì)的電極化率無(wú)量綱的純數(shù)實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于各向同性線性電介質(zhì)介質(zhì)內(nèi)任一點(diǎn)的電極化強(qiáng)度矢量和電介質(zhì)內(nèi)該點(diǎn)處的合場(chǎng)強(qiáng)成正比極化強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系求:板內(nèi)的場(chǎng)（忽略邊緣效應(yīng)）解:均勻極化表面出現(xiàn)束縛電荷內(nèi)部的場(chǎng)由自由電荷和束縛電荷共同產(chǎn)生例

平行板電容器自由電荷面密度為充滿相對(duì)介電常數(shù)為的均勻各向同性線性電介質(zhì)聯(lián)立一.電位移矢量單位C/m2各向同性線性介質(zhì)介質(zhì)方程5.3電位移矢量D的高斯定理在有電介質(zhì)的電場(chǎng)中引入一個(gè)輔助物理量

——電位移矢量記作電介質(zhì)

的介電常量（電容率）說(shuō)明：

電位移矢量D是一個(gè)輔助量，它既包含場(chǎng)強(qiáng)E又包含極化強(qiáng)度P

，它是一個(gè)綜合反映電場(chǎng)和介質(zhì)極化兩種性質(zhì)的物理量。

真空中對(duì)應(yīng)電位移矢量D所畫(huà)的場(chǎng)線稱(chēng)為D線二.電位移通量自由電荷三.有電介質(zhì)時(shí)的高斯定理的高斯定理在有電介質(zhì)的靜電場(chǎng)內(nèi)，穿過(guò)任一閉合曲面的電位移通量等于這閉合曲面所包圍自由電荷電量的代數(shù)和內(nèi)容：公式：證明（略）在有電介質(zhì)的電場(chǎng)中說(shuō)明：

穿過(guò)閉合曲面的電位移通量只決定于閉合曲面所包圍的自由電荷

線發(fā)出于正的自由電荷，終止于負(fù)的自由電荷；在無(wú)自由電荷的地方線不中斷

同樣適用于真空中的靜電場(chǎng)，此時(shí)在有電介質(zhì)的電場(chǎng)中，如果自由電荷的分布具有某種對(duì)稱(chēng)性，可根據(jù)的高斯定理求出考慮距離球心為r處的電場(chǎng)。取球形高斯面例計(jì)算處于均勻介質(zhì)中的均勻帶電球面周?chē)碾妶?chǎng)分布，以及球面的極化電荷面密度σ′。已知：球面的半徑為R，帶電量為q，球內(nèi)為真空，球外介質(zhì)的介電常數(shù)（電容率）為ε。解：r該問(wèn)題具有球?qū)ΨQ(chēng)性。由電位移的高斯定理得：qσ′極化面電荷密度：—與q反號(hào)極化電荷電量：qσ′例，內(nèi)部均勻分布體電荷密度為求：介質(zhì)板內(nèi)、外的解：相對(duì)介電常數(shù)為取坐標(biāo)系如圖以處的面為對(duì)稱(chēng)面過(guò)場(chǎng)點(diǎn)作正柱形高斯面底面積設(shè)的自由電荷一無(wú)限大各向同性均勻介質(zhì)平板厚度為平板高為.P.P均勻場(chǎng).P作業(yè)：P1505.25.35.4習(xí)題：1.電容器:電容定義：物理意義：反映電容器容納電荷本領(lǐng)大小的物理量5.4電容器和它的電容單位:法拉(F)如同容器裝水：求電容器電容的方法設(shè)極板帶電荷Q求極板間E=D/求極板間U

2.三種常見(jiàn)的電容器一對(duì)靠的很近的平行平面導(dǎo)體板。平行板電容器的電容C已知平行金屬板的面積為S，間距為d，充滿介電常數(shù)為的電介質(zhì)。兩極間任意點(diǎn)的電場(chǎng)：兩極間的電位差：C與q無(wú)關(guān)，只與結(jié)構(gòu)(Sd)有關(guān)。1）平行板電容器設(shè):極板上帶電荷q。2）圓柱型電容器的電容C（極板間電介質(zhì)的電容率ε）解(1)假定電容器帶電量為Q(2)計(jì)算電容器兩個(gè)極板間的電勢(shì)差忽略邊緣效應(yīng)，柱型介質(zhì)中，距中心軸為r處的電位移為（由電位移的高斯定理可得）：電容值R2R1Q-Ql3)球形電容器的電容假定電容器帶電+Q，-Q；極板間電場(chǎng)是球?qū)ΨQ(chēng)的：方向：沿半徑向外

兩個(gè)半徑RA,RB同心金屬球殼組成中間充滿電介質(zhì).

RARB+Q–Q極板間電位差：球形電容器的電容球形電容器的電容孤立導(dǎo)體的電容孤立導(dǎo)體和無(wú)限遠(yuǎn)處的另一導(dǎo)體組成一個(gè)電容器。半徑為R的孤立導(dǎo)體球與另一同心的半徑為無(wú)限大的導(dǎo)體球組成一個(gè)電容器。(2)在電路中，一個(gè)電容器的電容量或耐壓能力不夠時(shí)，可采用多個(gè)電容連接：…C的大小耐壓能力常用電容：100F25V、470pF60V(1)衡量一個(gè)實(shí)際的電容器的性能主要指標(biāo)3.電容器的串、并聯(lián)—并聯(lián)電容并聯(lián)電容器串聯(lián)：…耐壓強(qiáng)度提高電容減小每個(gè)電容器的帶電荷量相等當(dāng)把電介質(zhì)板插入時(shí)，C1電容如何變化？總電容如何變化？若是并聯(lián)，結(jié)果又如何？5.5電容器的能量1.電容器的能量K...CR電容器帶電時(shí)具有能量，實(shí)驗(yàn)如下：將K倒向a端電容充電再將K到向b端燈泡發(fā)出一次強(qiáng)的閃光!能量從哪里來(lái)？電容放電

當(dāng)電容器帶有電量Q、相應(yīng)的電壓為U時(shí)，所具有的能量W=？利用放電時(shí)電場(chǎng)力作功來(lái)計(jì)算：放電到某t時(shí)刻，極板還剩電荷q，極板的電位差：將(–dq)的正電荷從正極板負(fù)極板，電場(chǎng)力作功為：即電容器帶有電量Q時(shí)具有的能量：可見(jiàn)：C也標(biāo)志電容器儲(chǔ)能的本領(lǐng)。K...CR這些能量存在何處？2.電場(chǎng)的能量以平行板電容器為例：(1)電場(chǎng)能量密度單位體積內(nèi)所儲(chǔ)存電場(chǎng)能量：(2)電場(chǎng)能量任何帶電系統(tǒng)的電場(chǎng)中所儲(chǔ)存的總能量為：V電場(chǎng)占據(jù)的整個(gè)空間體積--對(duì)任意電場(chǎng)成立例一球形電容器，內(nèi)外半徑分別為R1和R2，兩球間充滿相對(duì)介電常數(shù)為r的電介質(zhì)，求此電容器帶有電量Q時(shí)所儲(chǔ)存的電能。R1R2+Q–Q例平行板空氣電容器的面積為S，極板間距為d，今以厚度為2d/3的等面積銅板置于電極之間。然后對(duì)兩極板充電至電壓為V，斷開(kāi)電源后，再將銅板抽出。解：插入銅板后，設(shè)：銅板的兩個(gè)面與相鄰的極板間距分別為d1、d2。而：?jiǎn)枺和饨纾ㄖ阜庆o電力）需作多少功？可以看作兩個(gè)電容器C1、C2串聯(lián)。外界作功：抽出銅板后，電容變?yōu)椋鹤鳂I(yè)：P1505.105.165.175.185.225.23習(xí)題：第五章靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)主要內(nèi)容一、概念1、極化強(qiáng)度矢量2.極化電荷3.電位移矢量4.電容1）平行板電容器2）圓柱型電容器的電容3)球形電容器的電容4).電容器的串聯(lián)5.電容器帶有電量Q時(shí)具有的能量：