电介质的极化 极化强度矢量
1 电介质的极化 极化强度矢量
从电场这一角度看,电介质就是绝缘体。 特点:电介质体内只有极少自由电子。 我们只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。 静电场对电介质的作用电介质的极化 1.极化现象 将电介质放入电场,表面出现电荷。 这种在外电场作用下电介质表面 出现电荷的现象叫做电介质的极化 所产生的电荷称之为“极化电荷”。 E 0 在电介质上出现的极化电荷是正负e 电荷在分子范围内微小移动的结果, 所以极化电荷也叫“束缚电荷
2 一、静电场对电介质的作用—电介质的极化 从电场这一角度看，电介质就是绝缘体。 我们只讨论静电场与各向同性电介质的相互作用。 将电介质放入电场，表面出现电荷。 E0 这种在外电场作用下电介质表面 出现电荷的现象叫做电介质的极化。 所产生的电荷称之为“极化电荷”。 在电介质上出现的极化电荷是正负 电荷在分子范围内微小移动的结果， 所以极化电荷也叫“束缚电荷”。 1.极化现象 特点：电介质体内只有极少自由电子
电介质内部的总场强 E=Bo +e 之上0 E 极化电荷所产生的附加电场不足 0 以将介质中的外电场完全抵消,它只_⊙e 能削弱外电场。 介质内部的总场强不为零! 2电介质极化的微观机制 从电学性质看电介质的分子可分为两类:无极分子 有极分子。 每个分子负电荷对外影响均可等效为 单独一个静止的负电荷的作用。其大小为Q 分子中所有负电之和,这个等效负电荷的 作用位置称为分子的“负电作用中心
3 E0 ' E E0 E = + E0 电介质内部的总场强 极化电荷所产生的附加电场不足 以将介质中的外电场完全抵消，它只 能削弱外电场。 介质内部的总场强不为零！ 每个分子负电荷对外影响均可等效为 单独一个静止的负电荷 的作用。其大小为 分子中所有负电之和，这个等效负电荷的 作用位置称为分子的“负电作用中心”。 - 从电学性质看电介质的分子可分为两类：无极分子、 有极分子。 2.电介质极化的微观机制 E' E
同样,所有正电荷的作用也可等效 个静止的正电荷的作用,这个等效正电 荷作用的位置称为“正电作用中心”。 无极分子:正负电荷作用中心重合的分子; 如 H2、N2、O2、CO 2 在无外场作用下整个分子无电矩。 有极分子:正负电荷作用中心不重 合的分子。 如H2O、CO、SO2、NH3… 个电偶极子,在无外场作用下存》 有极分子对外影响等效为 在固有电偶极矩。 HO
4 同样，所有正电荷的作用也可等效一 个静止的正电荷的作用，这个等效正电 荷作用的位置称为“正电作用中心”。 + 无极分子：正负电荷作用中心重合的分子； 如H2、N2、O2、CO2 有极分子：正负电荷作用中心不重 合的分子。 如H2O、CO、SO2、NH3….. + +- H2 在无外场作用下整个分子无电矩。 - + + O H+ H+ + H2O + - 有极分子对外影响等效为一 个电偶极子，在无外场作用下存 在固有电偶极矩
(1)无极分子电介质的极化 在没有外电场时,无极分子没有电偶极矩,分子不 显电性。 有外场时呈现极性。 位移极化 这种由于正电中心和负 电中心的移动而形成的极 化现象叫做位移极化。 均匀介质极化时在介质表面出 0 现极化电荷, 非均匀介质极化时,介质的表 00000 面及内部均可出现极化电荷。 外场越强,分子电矩的矢量和越大,极化也越厉害。 位移极化主要是由电子的移动造成的
5 （1）无极分子电介质的极化 •在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不 显电性。 •有外场时呈现极性。 E0 位移极化 这种由于正电中心和负 电中心的移动而形成的极 化现象叫做位移极化。 P E0 位移极化主要是由电子的移动造成的。 外场越强，分子电矩的矢量和越大，极化也越厉害。 均匀介质极化时在介质表面出 现极化电荷， 非均匀介质极化时，介质的表 面及内部均可出现极化电荷
(2)有极分子电介质的极化 在没有外电场时,有极分子正负电 e04 极矩。但介质中的电偶极子排列杂6°。s 荷中心不重合,分子存在固有电偶 乱,宏观不显极性。 有外场时电偶极子在外场作用下 F 发生转向,使电偶极矩方向趋近于 与外场一致所致。 F 由于分子的无规则热运动, 这种转向只能是部分的,遵守统 计规律。 00000 E 0 在外电场中,在有极分子电介9°4°4 质表面出现极化电荷, 这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为取向极化
6 （2）有极分子电介质的极化 •在没有外电场时，有极分子正负电 荷中心不重合，分子存在固有电偶 极矩。但介质中的电偶极子排列杂 乱,宏观不显极性。 •有外场时电偶极子在外场作用下 发生转向，使电偶极矩方向趋近于 与外场一致所致。 这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为取向极化E0 F 由于分子的无规则热运动， 这种转向只能是部分的，遵守统 计规律。 E0 在外电场中，在有极分子电介 质表面出现极化电荷， F
外场越大,电矩趋于外场方向一致性越好,电矩 的矢量和也越大 说明:电子位移极化效应在任何电介质中都存在,而 分子转向极化只是由有极分子构成的电介质所特有的, 只不过在有极分子构成的电介持中,转向极化效应比 位移极化强得多,因而是主要的。 1)不管是位移极化还是取向极化,其最后的宏观 效果都是产生了极化电荷。 综2)两种极化都是外场越强,极化越厉害,所产生 述:的分子电矩的矢量和也越大。 3)极化电荷被束缚在介质表面,不能离开电介质 到其它带电体,也不能在电介质内部自由移动。它 不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走
7 外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩 的矢量和也越大。 说明：电子位移极化效应在任何电介质中都存在，而 分子转向极化只是由有极分子构成的电介质所特有的， 只不过在有极分子构成的电介持中，转向极化效应比 位移极化强得多，因而是主要的。 综 述： 1）不管是位移极化还是取向极化，其最后的宏观 效果都是产生了极化电荷。 2）两种极化都是外场越强，极化越厉害，所产生 的分子电矩的矢量和也越大。 3）极化电荷被束缚在介质表面，不能离开电介质 到其它带电体，也不能在电介质内部自由移动。它 不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走
极化强度矢量 描述介质在电场中各点的极化状态(极化程度和方 向)的物理量。 在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值, (1)定义:介质中某一点的电极化强度矢量等于这 点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。 电极化强度矢量∑单位[库仑/米 △ 其中Pa是第i个分子的电偶极矩;|注意:介质极化也 有均匀极化与非均 △宏观无限小微观无限大; 匀极化之分。 说明:1.真空中P=0,真空中无电介质 2导体内P=0,导体内不存在电偶极子
8 在宏观上测量到的是大量分子电偶极矩的统计平均值， （1）定义：介质中某一点的电极化强度矢量等于这一 点处单位体积的分子电偶极矩的矢量和。 V P P ei = 电极化强度矢量： 其中 pei 是第i个分子的电偶极矩； V 宏观无限小微观无限大； 说明： 1.真空中 P = 0 ，真空中无电介质。 2.导体内 P = 0 ，导体内不存在电偶极子。 单位：[库仑/米2] 描述介质在电场中各点的极化状态（极化程度和方 向）的物理量。 注意: 介质极化也 有均匀极化与非均 匀极化之分。 二、极化强度矢量
(2)极化(束缚)电荷与极化强度的关系 在电介质的表面上,极化强度与极化电荷之间有 如下关系:d=P= Pcos e=P o为电介质表面极化电荷的面密度, =Pco极化强度矢量在表面外法线方向上的分量 e为极化强度矢量与外法线方向的夹角 通常定义en为介质外法线方向。 在电介质的内部,极化强度与极化电荷之间有如 下关系: Inside 在任一闭合曲面内极化电荷的负值等于极化强度的通量
9 （2）极化（束缚）电荷与极化强度的关系 在电介质的表面上，极化强度与极化电荷之间有 如下关系： ' = Pn = Pcos n P e = ' 为电介质表面极化电荷的面密度， Pn = Pcos 极化强度矢量在表面外法线方向上的分量 为极化强度矢量与外法线方向的夹角 通常定义 en 为介质外法线方向。 在电介质的内部，极化强度与极化电荷之间有如 下关系： = − S Sinside P dS q ' 在任一闭合曲面内极化电荷的负值等于极化强度的通量