- •четверг 11 Июль, 2019
- •Тема 6. ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
- •6.1.Поляризация диэлектриков
- ••В идеальном диэлектрике свободных зарядов, то есть способных перемещаться на значительные расстояния
- ••Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией.
- •Поляризуемость диэлектрика включает составляющие – электронную, ионную и ориентационную (дипольную).
- •• Главное в поляризации – смещение зарядов в
- ••Внутри диэлектрика электрические заряды
- ••Обозначим E'– электростатическое
- •Связь между вектором поляризации
- ••Введем новое понятие – вектор
- ••Для изотропного диэлектрика с неполярными молекулами вектор поляризации можно представить так:
- •Следовательно, и у результирующего поля E изменяется, по сравнению с E0,только нормальная составляющая.
- •• Величина ε 1 χ характеризует электрические свойства диэлектрика.
- ••График зависимости напряженности электростатического поля шара от радиуса,
- •6.2.Различные виды диэлектриков
- •6.2.1.Сегнетоэлектрики
- ••Основные свойства сегнетоэлектриков:
- ••Это свойство называется диэлектрическим гистерезисом
- ••4. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше) сегнетоэлектрические свойства пропадают.
- ••Стремление к минимальной потенциальной энергии и наличие
- ••Среди диэлектриков есть
- •6.2.2. Пьезоэлектрики
- •Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект:
- ••Сейчас известно более 1800 пьезокристаллов.
- •6.2.3. Пироэлектрики
- •Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами.
- •В качестве примеров использования
- •Задание
- •6.3. Вектор электрического смещения D
- ••Главная задача электростатики – расчет электрических полей, то есть E
- ••Введём новую векторную величину –
- •Зная D и ε, легко рассчитывать
- •• Для точечного заряда в вакууме
- •6.4. Теорема Гаусса для вектора Р
- •Теорема Гаусса для вектора Р
- •Замечание о поле вектора P .
- •6.5. Поток вектора электрического смещения.
- •В однородном электростатическом поле
- •Теорему Остроградского-Гаусса для вектора D получим из теоремы Остроградского-Гаусса для вектора E :
- •• Теорема Остроградского-Гаусса для
- •6.6. Изменение E и D на границе
- •• Пусть ε2 ε1.
- ••Образовавшиеся поверхностные заряды изменяют только нормальную составляющую E
- •• То есть, направление вектора E
- ••Рассмотрим изменение вектора D и его проекций Dn и Dτ
- •Проиллюстрируем закон преломления
- •• Если среда изотропная, то, как видно из рисунка, при
- •Граничные условия для вектора P .
- •Граничные условия для вектора Р
- •Примечание 1
- •Демонстрация опыта
•Рассмотрим изменение вектора D и его проекций Dn и Dτ
• |
Т.к. |
D ε |
0εE , то имеем: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
• |
|
|
D1n ε1ε0 E1n |
|
|
|
|
|
D2n ε2ε0 E2n |
|||||||||||||||||||||
• |
|
|
D1n |
|
ε1ε0 E1n |
|
ε0ε1ε2 |
1 |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
D |
|
|
|
ε |
ε |
|
E |
2n |
|
|
ε |
0 |
ε |
ε |
1 |
|
|
|
|
||||||||
• |
т.е. |
|
2n |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
D |
D |
|
– нормальная составляющая |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1n |
|
|
2n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
вектора не изменяется. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
• |
|
|
|
D1τ |
|
|
|
|
ε ε |
0 |
E |
|
|
|
|
|
|
|
ε |
1 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1τ |
|
|
|
|
|
|
; |
|||||||||||
|
|
|
|
D |
|
|
|
ε |
2 |
ε |
0 |
E |
2τ |
|
|
|
|
|
ε |
2 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
2τ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε 2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
D2 τ D1τ ε |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||
• т.е. тангенциальная составляющая |
|
вектора |
||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
увеличивается в |
|
|
ε2 |
|
|
раз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ε1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
tg α |
|
|
D2τ D1n |
|
D |
ε |
|
1 |
|
|
|
2τ |
2 |
||
|
D D |
||||||
tg α |
2 |
|
|
D |
ε |
1 |
|
|
|
2n 1τ |
|
1τ |
|
||
tg α1 |
ε2 |
|
|
||
tg α |
2 |
ε |
|
1 |
|
• закон преломления вектора D .
Проиллюстрируем закон преломления |
|||
|
для векторов E и D : |
||
|
1 2 |
tg 1 |
2 |
Пусть |
tg 2 |
1 |
|
|
|
|
|
• Если среда изотропная, то, как видно из рисунка, при
D |
переходе из одной диэлектрической среды в другую вектор |
– преломляется на тот же угол, что иE |
|
• |
D εε0E |
|
|
• Входя в диэлектрик с большей |
|
• |
диэлектрической проницаемостью, |
• |
линии D и E удаляются от нормали. |
Граничные условия для вектора P .
r
P1
1 '
r |
2 ' |
+++++++++ |
|
n |
r |
|
P2 |
|
|
r |
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||||
|
|
P1 |
|
|
|
P1 |
|
|
|
S |
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
S |
|
r |
|
S |
|
||||
|
|
||||||
|
r |
|
|
n |
r |
||
n |
|
|
|
|
|||
|
|
P2 |
|
|
|
P2 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Граничные условия для вектора Р
•Рассмотрим границу двух диэлектриков (см. рис.)
•Рассмотрим верхний диэлектрик и напишем для него теорему Гаусса для
|
вектора P: |
P1n S 0 S 1 |
' S |
|
|
|
|
|
|
||
• |
1) - минус появляется из-за того, что используем не внешнюю, а |
||||
|
внутреннюю нормаль. Отсюда получается, что |
P1n |
1 ' |
||
|
|
|
|
||
• |
2) - так как поток вектора через нашу поверхность отрицательный, то в |
||||
|
правой части получается минус. |
0 S P2n S 2 |
' S |
||
|
|
|
|||
• |
Отсюда P2n 2 ' |
|
|
|
|
• |
Если сблизить диэлектрики, то можно сделать так: |
|
|
||
|
|
P2n P1n 1 ' 2 ' ' |
|
|
|
•- то есть, на границе диэлектриков происходит скачок вектора P.
•Если выбрать общую гауссову поверхность, то
P1n S P2n S ' S
• |
Будем считать, что |
P1 P2, тогда |
- положительное' |
число. Если |
, |
||
• |
P1 P2 тогда |
P2n P1n ' |
, |
Pn |
' |
|
|
• |
если среда 2 –вакуум, то |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
Примечание 1
Демонстрация опыта
• Поляризация диэлектрика (разборная лейденская банка)
