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电容器中极化电荷和自由电荷

时间:2022-12-07 百科知识 版权反馈
【摘要】:静电场中的导体由于静电感应会带上感应电荷.电介质不同于导体,电介质中每个分子都是一个复杂的带电系统,有正电荷和负电荷,它们分布在一个线度为10-10m的极小范围内.在考虑这些电荷在较远处产生的电场时,可以认为分子的正电荷集中于一点,为正电荷的中心,负电荷也同样.正负电荷中心构成一等效的电偶极子,称为分子电偶极子.按照电介质内部的电结构不同可把电介质分为两类,甲烷、二氧化碳、氦、石蜡、氮气等材料的分

静电场中的导体由于静电感应会带上感应电荷.电介质不同于导体,电介质中每个分子都是一个复杂的带电系统,有正电荷和负电荷,它们分布在一个线度为10-10m的极小范围内.在考虑这些电荷在较远处产生的电场时,可以认为分子的正电荷集中于一点,为正电荷的中心,负电荷也同样.正负电荷中心构成一等效的电偶极子,称为分子电偶极子.按照电介质内部的电结构不同可把电介质分为两类,甲烷、二氧化碳、氦、石蜡、氮气等材料的分子正、负电荷中心在无外电场时是重合的,这种分子叫做无极分子;另一类电介质如水、一氧化碳、有机玻璃、纤维素等,其分子正负电荷中心即使在无外电场时也是不重合的,这种分子叫做有极分子.如图10.9所示.

图10.9 甲烷和水的分子结构及电荷分布特征

无外电场时,无极分子的电偶极矩为零.在外电场中无极分子正、负电荷受相反方向的电场力,发生相对位移l.每个分子的电偶极矩p不再为零,且都沿电场方向排列.这个现象叫做无极分子电介质的位移极化,如图10.10所示.

图10.10 无极分子极化示意图

有极分子在无外电场时,也具有电偶极矩,称为固有电矩.由于热运动和相互碰撞,这些固有电矩的方向杂乱无章,整个电介质中分子电偶极矩的矢量和为零.在外电场中,这些分子的固有电矩将受到外电场力矩作用而转向外电场方向,如图10.11所示.由于分子的无规则热运动总是存在的,这种取向不可能完全整齐.外电场越强,固有电矩排列越整齐.

图10.11 有极分子极化示意图

虽然两种电介质受外场作用的微观机制不同,但宏观效果是一样的.在均匀电介质内部,任一微小体积内所包含的正负电荷的电量相等,因而仍表现为电中性.但分子电偶极矩沿外电场方向的排列,在电介质沿外场方向的侧面上分别呈现正负电荷,如图10.10(c)、10.11(c).这种电荷被电介质中原子核所束缚,不能自由移动,所以把它们叫做极化电荷或束缚电荷.我们把在外电场作用下电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质的极化现象.显然,外电场越强,电介质的极化程度就越高,电介质表面出现的极化电荷也越多.

由于在电介质中自由电荷的电场与极化电荷的电场方向总是相反的,所以电介质中的合场强E比外电场E0要小.

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