1260 字
6 分钟
【普物】30(29)章整理
2024-11-02

目录#

电容概念和计算 Capacitance#

C=dqdVC = {dq \over dV}

常见电容类型#

  • 平行板电容(Parallel Plate Capacitor):
    • 决定式推导:截屏2024-10-18 11.47.23
  • 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:截屏2024-10-18 12.04.36 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

总结:#

电容中的电势能U#

电势能计算#

定义式+积分 方法:一般计算从最根本定义式dW=V(q)×dqdW = V(q)\times dq入手,再看看V(q)V(q)进一步转化为什么。 两种U表示方法: 利用公式推导:Q=C×VQ = C\times V, V=QCV={Q\over 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#

  1. 断电:
  2. 通电: Note:尝试用下面的电介质极化规律和退极化场推导电容变化的公式。

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#

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=q×lp = q\times l)(矢量,方向和l矢量相同)

1个难点:

  • Depolarization Field (退极化场) Note:注意这里退极化场计算所乘EE是最终的总电场强度之和,而不是初始 E0E_0重要:退极化电场常用计算:原电场已知为E,加入电介质后,电场为E,加入电介质后,电场为E_0$,则 具体应用可见第五周作业。 截屏2024-10-18 16.08.09

  • 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 PP(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:

D=ρf\nabla \cdot \vec{D} = \rho_{\text{f}}

这里,D\vec{D}表示电位移场,ρf\rho_{\text{f}} 表示自由电荷体密度。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 PP 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:

D=ρf\nabla \cdot \vec{D} = \rho_{\text{f}}

D=ε0E+P\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:

P=ρb\nabla \cdot \vec{P} = -\rho_{\text{b}}

其中:

  • ρb\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:

需要补充:电位移矢量的高斯定律 极化率公式 自由电荷和束缚电荷相抵消,得到总的电荷量体密度 极化强度矢量:P=q×lP = \sum q\times l

如何求散度:gpt

【普物】30(29)章整理
https://tillyendless.github.io/posts/普物3029章整理/
作者
发布于
2024-11-02
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0