电介质

  • 电介质的极化
    • 极化
      • 把所有分子看作由一个正电荷和一个负电荷组成。如果两者重合,则为无极分子,否则为有极分子。
      • 电介质在电场中,分子的正负电荷受电场力作用,电介质则发生极化。
        • 无极分子的正负电荷受力产生微小位移,形成电偶极子,这称为位移极化。
        • 有极分子本身可以看作电偶极子,受力矩旋转,称为转向极化。同时也有位移极化。
        • 考虑电介质极化时,一般只考虑更显著的转向极化。
      • 外部电场越强,产生的极化现象越强。
    • 电极化强度
      • 电介质未极化时,任取 ΔV\Delta V 内的所有分子,其 p=0\sum \boldsymbol p = \boldsymbol 0。发生极化时,p0\sum \boldsymbol p \ne \boldsymbol 0
      • 定义电极化强度为 P=pΔV\boldsymbol P = \dfrac{\sum \boldsymbol p}{\Delta V}
      • 电介质中,有 P=ε0(εr1)E\boldsymbol P = \varepsilon_0(\varepsilon_r - 1)\boldsymbol E
      • 极化时,电介质表面外部出现束缚电荷,有以下关系:
        • dq=PdS\mathrm dq' = \boldsymbol P \cdot \mathrm d\boldsymbol Sq=SPdS\displaystyle\sum q' = \oint_S \boldsymbol P \cdot \mathrm d\boldsymbol S
        • 面密度为 σe=Pen\sigma_e' = \boldsymbol P \cdot \boldsymbol e_n
  • 有电介质高斯定理
    • 内容
      • 定义 q0q_0 表示高斯面内自由电荷。
      • 定义电位移 D=ε0E+P\boldsymbol D = \varepsilon_0 \boldsymbol E + \boldsymbol P,则 SDdS=q0\displaystyle\oint_S \boldsymbol D \cdot \mathrm d\boldsymbol S = \sum q_0
      • D=ε0εrE=εE\boldsymbol D = \varepsilon_0\varepsilon_r \boldsymbol E = \varepsilon \boldsymbol E
    • 应用
      • 有电介质时,使用有电介质高斯定理求出 D\boldsymbol D,再由 εr\varepsilon_r 求出 E\boldsymbol EP\boldsymbol P
      • 根据 P\boldsymbol P 可求表面外束缚电荷面密度 σe\sigma_e',可求束缚电荷量 qq'
  • 电容
    • 定义
      • 定义孤立导体电容为 C=QφC = \dfrac{Q}{\varphi},非孤立导体为 C=QUC = \dfrac{Q}{U}
    • 计算
      • 半径 RR 的孤立导体球,外部介质 εr\varepsilon_rC=4πε0εrRC = 4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r R
      • 面积 SS 间距 dd 平行板电容器,中间介质 εr\varepsilon_rC=ε0εrSdC = \dfrac{\varepsilon_0\varepsilon_rS}{d}
      • 内径 R1R_1 外径 R2R_2 无限长圆柱形电容器,内外径中间介质 εr\varepsilon_rC=2πε0εrllnR2R1C = \dfrac{2\pi\varepsilon_0\varepsilon_r l}{\ln\frac{R_2}{R_1}}
      • 内径 R1R_1 外径 R2R_2 球形电容器,内外径中间介质 εr\varepsilon_rC=4πε0εrR2R1R2R1C = 4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r\dfrac{R_2R_1}{R_2 - R_1}
    • 能量
      • 电容器储存的能量为 We=Q22C=12ε0εrE2SdW_e = \dfrac{Q^2}{2C} = \dfrac{1}{2}\varepsilon_0\varepsilon_r E^2Sd
      • 能量密度为 we=dWedV=12ε0εrE2=12DEw_e = \dfrac{\mathrm dW_e}{\mathrm dV} = \dfrac{1}{2}\varepsilon_0\varepsilon_r E^2 = \dfrac{1}{2}DE