1、2006.4,北京大学物理学院王稼军编,2.3 静电场中的电介质,物质具有电结构 当物质处于静电场中 场对物质的作用：对物质中的带电粒子作用 物质对场的响应：物质中的带电粒子对电场力的作用的响应 导体、半导体和绝缘体有着不同的固有电结构 不同的物质会对电场作出不同的响应，产生不同的后果，在静电场中具有各自的特性。 导体中存在着大量的自由电子静电平衡 绝缘体中的自由电子非常稀少极化 半导体中的参与导电的粒子数目介于两者之间。,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,电介质极化的微观机制,无极分子：正负电荷中心完全重合(H2、N2) 微观：电偶极矩p分子0，(l=0) 宏观： 中性不带电, , ,
2、有极分子：正负电荷中心不重合(H2O、HCl) 微观：电偶极矩p分子0，(l 0) 宏观：中性不带电,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,无极分子 有极分子,极化性质 位移极化 取向极化 后果：出现极化电荷（不能自由移动）束缚电荷, , ,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,极化的描绘：P、q、E,极化强度矢量P：描述介质在外电场作用下被极化的强弱程度的物理量 定义：单位体积内电偶极矩的矢量和,介质的体积，宏观小微观大（包含大量分子）,介质中一点的P(宏观量 ),微观量,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,极化电荷,极化后果：从原来处处电中性变成出现了宏观的极化电荷 可能出现在介质
3、表面 （均匀介质）面分布 可能出现在整个介质中 （非均匀介质）体分布,极化电荷会产生电场附加场（退极化场）,极化电荷产生的场,外场,极化过程中：极化电荷与外场相互影响、相互制约，过程复杂达到平衡（不讨论过程） 平衡时总场决定了介质的极化程度,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,退极化场E,附加场E： 在电介质内部：附加场与外电场方向相反，削弱 在电介质外部：附加场与外电场方向相同，加强,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,极化的后果,三者从不同角度定量地描绘同一物理现象极化，之间必有联系，这些关系电介质极化遵循的规律,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,P与q的关系,以位移极化为模
4、型讨论 设介质极化时每一个分子中的正电荷中心相对于负电荷中心有一位移l ,用q代表正、负电荷的电量,则一个分子的电偶极矩,设单位体积内有n 个分子有 n个电偶极子,在介质内部任取一面元矢量dS, 必有电荷因为极化而移动从而穿过 dS, 该柱体内极化电荷的总量为 ：,P在dS上的通量,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,对于介质中任意闭合面P的通量=？,取一任意闭合曲面S 以曲面的外法线方向n为正 极化强度矢量P经整个闭合面S的通量等于因极化穿出该闭合面的极化电荷总量q 根据电荷守恒定律，穿出S的极化电荷等于S面内净余的等量异号极化电荷q,均匀介质：介质性质不随空间变化 进去=出来闭合面内不
5、出现净电荷 0 非均匀介质：进去出来，闭合面内净电荷 0均匀极化：P是常数,普遍规律,可以证明,注意区分,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,均匀介质中P与e的关系,在均匀介质表面取一面元如图 则因极化而穿过面元dS的极化电荷数量为,电荷层的体积,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,极化强度矢量在介质表面的法向分量,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,极化强度矢量P与总场强E的关系 极化规律,猜测E与P可能成正比（但有条件）两者成线性关系（有的书上说是实验规律，实际上没有做多少实验，可以说是定义）,极化电荷产生的附加场,退极化场,影响,电极化率：由物质的属性决定,2006.4,北京
6、大学物理学院王稼军编,电极化率,P与E 是否成比例 凡满足以上关系的介质线性介质 不满足以上关系的介质非线性介质 介质性质是否随空间坐标变 （空间均匀性） e常数：均匀介质； e坐标的函数：非均匀介质 介质性质是否随空间方位变（方向均匀性） e标量：各向同性介质； e张量：各向异性介质 以上概念是从三种不同的角度来描述介质的性质 空气：各向同性、线性、非均匀介质 水晶：各向异性、线性介质 酒石酸钾钠、钛酸钡：各向同性非线性介质铁电体,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,感应、极化 自由、束缚,感应电荷：导体中自由电荷在外电场作用下作宏观移动使导体的电荷重新分布感应电荷、感应电场 特点：导体中的感应电荷是自由电荷，可以从导体的一处转移到另一处，也可以通过导线从一个物体传递到另一个物体 极化电荷：电介质极化产生的电荷 特点：极化电荷起源于原子或分子的极化，因而总是牢固地束缚在介质上，既不能从介质的一处转移到另一处，也不能从一个物体传递到另一个物体。若使电介质与导体接触，极化电荷也不会与导体上的自由电荷相中和。因此往往称极化电荷为束缚电荷。,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,电位移矢量,在静电场中通过任意闭合曲面的电位移通量等于闭合面内自由电荷的代数和.,2.4 有电介质时的高斯定理,2006.4,北京大学物理学院王稼军编,令电介质的相对介电常数,电介质性质方程,
