普物30(29)章整理
电容概念和计算 Capacitance
- 平行板电容(Parallel Plate Capacitor):
- 决定式推导:
- 圆柱形电容(Cylindrical Capacitor):
- 小结论:带电荷导线径向电场强度:
- 圆柱形电容计算:
- 球形电容器(Spherical Capacitor):
- 计算:
- 孤立球电容: 计算思想:把外层半径看为无穷大,即b为无穷。
- 电容串并联:定义推导+等效(整体)替换法 Summary:
电容中的电势能U
电势能计算:定义式+积分 两种U表示方法: 利用公式推导: Q = CV,V=Q/C 问题:移动电容平行板(断路和通路情况): 断路: 通路: 能量密度(单位体积): 从而在解题时有: (推导依赖平行板电容模型,但适用广泛) 注意题干各个具体模型,电场是在哪分布、怎么分布的,搞清楚! (有些地方可能连电场都没有)
电介质(dielectrics)
dielectric constant (介电常数): 定义:(和真空电容的比值)
🌰:平行电容板加入电介质
断电:
通电:
计算公式总结:(带介电常数)
注意对上述变化的宏观理解。 电介质极化(polarization),产生内部电场,抵消原电场。
- 无极分子电介质 Non-polar dielectrics
- Induced electric dipole moment (感生电偶极矩):当外电场作用于一个原本电中性的原子或分子时,电场会使原子或分子中的正负电荷中心发生相对位移,导致电荷的分布不对称,从而产生一个电偶极矩。这个新生成的电偶极矩称为感生电偶极矩。这种现象可以发生在无极分子或非极性原子中,它们在静态条件下不具备内在的电偶极矩。
- Electric displacement polarization (电子位移极化)
- 有极分子电介质Polar dielectrics
- Alignment polarization (取向极化)
- Notes: In high frequency field, Electric displacement polarization (电子位移极化) plays an important role.
- 极化强度矢量(电极化强度)P: (p = ql)(矢量,方向和l矢量相同)
1个难点:
Depolarization Field (退极化场)
电介质极化规律
Electric Displacement Vector D (电位移矢量) and Gauss’ Law with Dielectrics. 电偶极矩的高斯定律是描述在电偶极场中电位移的高斯定理。它与我们通常理解的电荷分布的高斯定律有所不同。对于一个带有偶极矩的系统,没有净电荷分布,但会有极化电荷的分布。
在电偶极矩的情况下,考虑到极化电场的性质,我们需要引入极化强度 ( P )(电偶极矩密度)来描述内部极化效应。其对应的高斯定律公式如下:
[ \nabla \cdot \vec{D} = \rho_{\text{f}} ]
这里,(\vec{D}) 表示电位移场,(\rho_{\text{f}}) 表示自由电荷密度。然而在电偶极子或偶极矩密度的情况下,我们通常没有自由电荷密度,只有极化电荷密度。因此我们可以进一步使用极化强度 ( P ) 来定义电位移场。
使用极化强度的高斯定律
在材料内部的电场可通过以下公式描述:
[ \nabla \cdot \vec{D} = \rho_{\text{f}} ] 和 [ \vec{D} = \varepsilon_0 \vec{E} + \vec{P} ]
极化电荷的高斯定律
对于电偶极矩分布来说,可以用以下形式表达高斯定律:
[ \nabla \cdot \vec{P} = -\rho_{\text{b}} ]
其中:
- (\rho_{\text{b}}) 是极化产生的束缚电荷密度。
物理含义
这种形式的高斯定律表明,在一个偶极矩分布中,偶极产生的电荷并不是真正的自由电荷,而是由于极化产生的束缚电荷。这些束缚电荷分布在材料表面或内部,导致内部产生一个反向的退极化场,用以抵消一部分极化电场。
推导: